Lycée!International!

Xavier!!!!

!

T.P.E.!Hydrates de Méthane!

!Depuis la première découverte de l’hydrate

de méthane dans la mer de l’Est jusqu’à aujourd’hui, quelles ont été les améliorations

dans leur recherche et leur utilisation, et quelles sont les opportunités et les risques

rencontrés face à la concurrence directe des énergies fossiles actuelles ?!

!Sanghyun CHO!Youngjae JOO!Hyunkyu OH!

!Année : 2012 ~ 2013!

Pr. Correcteur : M. Biagini!!

Résumé!!!

! Aujourd’hui, les hydrates de méthane sont considérés comme la future ressource naturelle qui remplacera les énergies fossiles actuelles comme le pétrole ou le charbon. Les hydrates de méthane ont les caracteristiques géologiques physiques etc. C’est la raison que nous avons choisi les hydrates de méthane comme sujet de notre T.P.E. !!! Pour savoir s’il est vraiment possible de remplacer les énergies fossiles actuelles par les hydrates de méthane, nous avons recherché des informations de base sur les hydrates de méthane comme leur nature physico-chimique, leur histoire pétrographique et géologique, ainsi que les moyens techniques de détection et d’extraction. !!Au cours de nos recherches, nous nous sommes demandé quels risques existaient pendant l’extraction et comment les hydrates de méthane pouvaient être utilisés de nos jours. Cependant, ces recherches bibliographiques n’ont pas été suffisantes pour répondre à notre problématique. Nous sommes donc allés plus loin pour découvrir certains aspects économiques et ses politiques de la prospection en Corée du Sud. !!Finalement, notre étude a montré que les hydrates de méthane peuvent être efficaces sous certaines conditions. Cependant, il reste aujourd’hui impossible de remplacer les énergies fossiles actuelles par les hydrates de méthane.!

!!!!!!!!!!!!

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Sommaire!!!!!

I - Résumé p.2!II - Sommaire p.3!III - Introduction p.4!IV - Synthèse p.5~10!V - Conclusion p.11!VI - Bibliographie p.12~13!VII - Annexe p.14!!!!!!!!!

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Introduction!! Tout d'abord, on va voir la definition de mot "hydrates de méthane". Les hydrates de méthane sont des complexes. On peut diviser ce complexe en deux parties. La partie extérieure est la cage clathrate avec les molécules d'eau. Dans ce cage, les molécules de méthane sont encadrées. Leur formule brute est : CH4 • 5,75 H2O. La cristallisation du mélange d'eau et du méthane est la cause de la creation de ce composé solide. Mais c'est seulement les cas de la cristallisation à certaine profondeur avec une basse température et une haute pression. Le volume des hydrates de méthane est 170 fois plus grand que celui de méthane. C'est souvent sous la forme d'un dodécaèdre. Si le volume du gaz contenu est petit comme dihydrogène, alors on a besoin de plus de pression pour les stocker dans la même cage à eau. 150 types différents d’hydrates de gaz existent dans le monde. On peut également ajouter une substance chimique pour modifier la condition de formation des hydrates de méthane en utilisant ce principe. Par exemple, les alcools font augmenter la température de la formation. On peut donner deux origines à cette molécule. D’une part, elle est due à la décomposition des êtres vivants à cause de la fermentation incomplète par les micro-organismes. D’autre part, elle est due à la thermolyse des gaz et des cadavres à cause de la chaleur et la pression au sein d’une strate. (Voir annexe document 5, page 15) ! L’histoire des hydrates de méthane commence avec la première découverte des hydrates de gaz par Humphrey Davy au début de XIXe siècle. Ce dernier a découvert un composé solide au-dessus de 0℃. Grâce à cette decouverte, on a réussi à recevoir les intérêts des scientifiques aux hydrates de méthane. A la fin, des années 1960 en URSS, c'etait la première fois qu'on a trouvé les hydrates de méthane dans le permafrost. Plus récemment, dans la mer de l’est, les hydrates de méthane était découverte en 1999 au niveau du forage de la mer du Sizuoka. Depuis ces découvertes, plusieurs recherches ont été réalisées sur les hydrates de méthane. (Voir annexe document 4, page 14) ! Le pétrole est l’hydrocarbure le plus utilisé et efficace dans le monde et en Corée. En Corée, deux tiers de l’énergie est obtenue par la combustion des hydrocarbures. Aussi bien que le Japon est très intéressée par l’hydrate de méthane à cause de l’immense quantité des hydrates de méthane dans sa mer et le Japon n’a pas de ressource fossile actuelles alors que Etats-unis est dépendant de l’importation de pétrole. ! Ainsi, est-il possible de remplacer les énergies fossiles actuelles avec par les hydrates de méthane, tout du moins au niveau d’une zone géographique restreinte : en Corée du Sud ? Dans une première partie, nous étudierons particulièrement les avancées scientifiques. Dans une deuxième partie, nous présenterons certains risques liés à la recherche ou l’exploitation des hydrates de méthane. Enfin, dans une troisième partie, nous discuterons de la possibilité de remplacer les énergies fossiles actuelles par des hydrates de méthane. !!!!!!!!!

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Partie 1 : Avancées scientifiques en matière d’hydrates de méthane !Plusieurs techniques sont utilisées pour détecter les hydrates de méthane : !- Premièrement, la méthode universelle est la détection sismique, ou détection par les

ondes élastiques. Cette méthode est aussi utilisée pour chercher le pétrole et les autres énergies fossiles. Si une onde envoyée par «airgun» est perturbée dans un milieu avec des hydrates de méthane, on obtient une onde élastique dont la vitesse et l’intensité sont modifiées d’après la loi Snell-Descartes. Les ondes élastiques réfléchies sont reçues dans différents endroits appelés «streamer», permettant de simuler la structure géologique. Cette méthode est appelée «bottom-simulating reflector» (ou «réflecteur de simulation du fond» en français). (Voir annexe document 6, page 15) !

- Pour la deuxième méthode, on compare les résultats obtenus avec les propriétés géophysiques des hydrates de méthane pour faciliter leur identification :

- Pendant la formation des hydrates de méthane, les sédiments autour de la formation sont aussi influencés et leurs propriétés sont modifiées (métamorphisme).

- Ces étapes font partie de la diagraphie précise. !- La dernière méthode est l’observation directe. C'est le cas en Corée du Sud. Dans un

gisement d’hydrocarbures où sont installés des forages de gaz naturel, on peut observer la présence des hydrates (alors que leur présence n’était pas soupçonnée). !

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Partie 2 : Prospection et extraction des hydrates de méthane !A.Techniques d’extraction !Les hydrates de méthane, comme plupart des autres ressources naturelles, sont extraits du sous-sol par différents moyens. Dans cette partie, nous allons étudier les différents types d’extraction : !- Tout d’abord, il y a un moyen d’extraction par dépressurisation. Plus précisément, on

fait un forage à travers la couche d’hydrates jusqu’à la couche de méthane. Et puis, on extrait les hydrates de gaz en provoquant une diminution de la pression sur la couche des hydrates de méthane.En conséquence, le méthane est libérée.(Voir annexe document 1, page 13) Ce moyen d’extraction est peu efficace car on n’obtient qu’environ 30% de méthane contenu dans la couche. !

- Le deuxième moyen d’extraction est l’injection thermique (chaleur) de la vapeur d’eau ou de l’eau chaude. Après le forage jusqu’à la couche des hydrates de méthane piégés par certaines couches sédimentaires rendues imperméables par le métamorphisme, on injecte de la vapeur d’eau et de l’eau chaude qui provoquent une augmentation de la température qui est suivie de la dissociation du méthane. (Voir annexe document 1 et 2, page 13). Cette méthode est encore moins efficace que la dépressurisation car son coût d’exploitation est beaucoup plus élevé. !

- Il y existe également un moyen d'’extraction par l’injection d’un inhibiteur. À la suite du forage identique de celui de l’injection thermique, l’injection d’un inhibiteur composé de produits chimiques comme le méthanol ou le glycol, est utilisée pour modifier les conditions de stabilité des hydrates de gaz. (Voir annexe document 1, page 13) Ce moyen d’extraction est beaucoup plus efficace que les autres. !

- Selon le département de l’énergie des Etats-Unis, l’utilisation de l’inhibiteur chaud pour les hydrates de méthane à 60m de profondeur fait augmenter la quantité de méthane extrait, de 9 à 13 fois plus que les autres moyens. Mais ce moyen est beaucoup plus dangereux à cause de la pollution engendrée, ce que nous développerons dans la partie suivante. !

-Enfin, un dernier moyen d’extraction est encore à l’étude à l’heure actuelle : c’est l’injection du mélange de dioxyde de carbone et d’azote. Après le forage, on injecte ces mélanges de gaz qui vont remplacer les atomes de méthane tout en conservant la structure des molécules d’hydrates de méthane. C’est le moyen le plus efficace scientifiquement et techniquement parce que de cette manière on peut limiter les risques de “fuite” de méthane et aussi stocker le CO2 dans la couche. Ici, l’utilisation de CO2 liquide est plus stable car, pour injecter le CO2 sous forme de gaz, on a besoin de plus de pression et il y a beaucoup de risques de déformation de la molécule. C’est un moyen imaginé par un japonais “Ohgaki” en 1996 et développé récemment par un Coréen “Yeehun”. Mais, malheureusement ce moyen n’est pas encore réalisable à grande échelle parce qu’on a besoin d’une très forte pression pour remplacer des atomes au sein de la couche. Ce niveau de pression n’est pas encore maîtrisable à échelle commerciale et cette nouvelle technologie, chère, entraîne de forts investissements financiers, ce qui la rend inefficace économiquement parlant. (Voir annexe document 1, page 13) !

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B.Extraction expérimentale de Mallik ! En 2002, l’extraction expérimentale de Mallik a été mise en place. Des études géologiques, géophysiques et géochimiques ont été réalisées. On a prélevé quelques échantillons pour déterminer la propriété chimique des hydrates de méthane. Ce projet a été mené en collaboration avec les instituts et pays suivants : Geological Survey du Canada et des Etats-Unis, la Coopération Nationale d’Huile du Japon, GeoForschungs Zentrum Potsdam d’Allemagne, DOE (Département d’Energie) des Etats-Unis et Autorité de Gaz d’Inde. L’étude a connu un grand succès grâce aux nouvelles technologies d’extraction découvertes cette année. ! La construction d’un forage d’observation a été commencée le 25 décembre 2001 et était terminée au 5 janvier 2002. L’instrument de mesure de la température (Distributed Temperature Sensor) a été installé par GeoforschungsZentrum et a permis de comprendre les conditions d’existence des hydrates de méthane. Le 11 Janvier 2002, la couche des hydrates de méthane était séparée des autres couches sédimentaires et mesurée automatiquement avec 12 différents gaz et puis analysée précisément dans le laboratoire. Après avoir enlevé le core , la production expérimentale est mise en place. 1

(Voir annexe document 7 et 8, page 16) !C. Production artificielle d’hydrates de méthane !La formation synthétique des hydrates de méthane a réussi avec une méthode : bond hydrophobe, réalisée par les chercheurs coréens en 2011, mais ce n’est pas une méthode très intéressante car elle est inefficace économiquement parlant. ! La Corée du Sud a établi un projet d'‘extraction expérimentale de 10 ans par l'‘Institution Nationale de Corée sur la production de ces gaz. Dans les huit premières années, les chercheurs ont obtenu comme résultat une méthode de détection des gisement d’hydrates de méthane grâce aux ondes élastiques. Suite à ces observations, ils ont pu explorer la structure de la croûte terrestre. En plus, la mesure de l'‘énergie dans une espace permet aussi les autres analyses de la propriété géophysique pour enlever un core. Après avoir observé avec une camera à haute résolution les molécules d’hydrates de méthane, ils ont pu former une structure en 3D de la croûte. Pour la diagraphie, les chercheurs ont analysé la résistance des matériaux et la vitesse des ondes par rapport à la surface contenant des hydrates de méthane. Enfin, en considérant la température, l’analyse des propriétés physiques et chimiques, et le modèle d’'extraction combiné avec le modèle de la croûte, la phase d’extraction a été lancée. Ils ont alors comparé alors la productivité avec la quantité en réserve dans la croûte de manière très précise, puis ont établi une échelle de risques de production avant de lancer l’extraction massive de cette ressource. !D. Utilisation des hydrates de méthane ! ll y a plusieurs utilisations des hydrates de méthane (extraits du sol ou synthétiques) : !- L'’utilisation d’hydrates de méthane ressemble à celle du méthane.Avec l’équation bilan

de la combustion du méthane CH4 + 2 O2 → 2 H2O + CO2 + énergie(891 k J/mol) , le méthane peut être utilisé dans les transports en commun (bus au gaz) ou comme combustible domestique (cuisine, chauffage). !

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le core : un mot géologique désignant une morceau des couches enlevé par une tube pendant le 1

forage

- On utilise également des hydrates de méthane pour stocker le dioxyde de carbone. Lorsqu'’on extrait du méthane dans le complexe d’hydrate de gaz, on remplace le méthane par le dioxyde de carbone liquéfié et les molécules de dioxyde de carbone restent dans le complexe au lieu du méthane. !

-La formation des hydrates de gaz sont utilisés lors de transports de gaz. Avant, on transportait le gaz sous forme LNG (Liquefied Natural Gas) qui devait être maintenu à -162℃. Mais le principe des hydrates de gaz permet d’en transporter 170 fois plus à -15℃ en formant les hydrates de méthane avec un bénéfice économique mesuré de 23%. (Voir annexe document 3, p 14) !

D’autres utilisations sont encore en développement : !-La formation des hydrates de gaz est devenue une solution pour le manque 'd’eau

potable actuel. Avant la découverte d’une méthode par la formation d'es hydrates de gaz, on a utilisé le principe de l‘évaporation et de la filtration pour épurer l’eau. Le mécanisme de cette nouvelle méthode mettait l'’eau salée (de la mer) sous condition favorable pour la formation d'’hydrates de gaz. En suite, on ajoute les gaz du méthane et la formation des hydrates de méthane va séparer les sels et l’eau. Quand on dissocie les hydrates de méthane, les molécules d’eau ne peuvent plus contenir le méthane donc les gaz sont libérés et l’eau se liquéfie. Ce moyen coûte 30% moins cher par rapport à l’eau produite avec la méthode ancienne. ! Pendant l’extraction des hydrates de méthane, il y a des risques plus ou moins graves à différentes étapes de l’extraction : - Tout d’abord, il y a les risques de déstabilisation des sédiments ou de la pente lors de

l’extraction qui peut provoquer un séisme ou un glissement de terrain.Si l’extraction est en conditions sous-marines, un tsunami peut survenir. !

- Les techniques de contrôle de l’extraction sont plutôt compliquées : l’extraction et la séparation du méthane, les risques de libération du méthane gazeux dans l’atmosphère à cause d’une erreur humaine ou technique peut entraîner une catastrophe naturelle comme un séisme ou un renforcement du réchauffement climatique (le méthane peut provoquer un effet de serre 10 fois plus fort que le dioxyde de carbone)

. - Finalement, il y a aussi le risque de pollution par des produits chimiques. Ce risque

correspond particulièrement à l’extraction par injection d’un inhibiteur. Après l’extraction, il n’y a actuellement aucun moyen pour éliminer l’inhibiteur, dont finalement il va polluer les sols et porter une atteinte grave à la biodiversité. !

En Corée du Sud, l’extraction du méthane est encore plus compliquée car la mer où les hydrates de méthane se situent est très profonde. Pendant l’extraction du méthane, la profondeur joue un rôle très important car s’il y a plus de pression, on peut avoir un champ de vision imparfait et des variations extrêmes de température. Si la température diminue au cours de l’extraction, alors il est possible d’avoir une formation des hydrates de méthane dans le tube du forage. Donc la Corée du Sud a moins de compétitivité. Au contraire, pour les autres pays qui sont beaucoup plus compétitifs, par exemple dans le Japon ou les Etats-Unis, les hydrates de méthane se situent beaucoup moins profondément et c’est plus facile d’extraire le méthane. !

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Partie 3 : Enjeux actuels des hydrates de méthane ! Selon les journalistes de Corée du Sud, les hydrates de méthane sont devenus un sujet actuel politique national et même international. Après que le Japon a commencé à investir dans les hydrates de méthane, ces intérêts ont suscité les convoitises des pays. En Corée du Sud, pays où il n'’y a presque pas de ressources énergétiques fossiles, le gouvernement s’est fortement intéressé à la recherche de ces nouvelles énergies. Malheureusement, il y a aussi des divergences d’opinion entre les pays à cause de la propriété des 'ressources minières. Le cas entre le Japon et la Corée est très connu. La propriété de l'’île de Dokdo est menacée par le Japon parce que ce dernier veut le pouvoir d’exploiter librement les ressources maritimes autour de cette île. L'‘une de ces ressources est les 'hydrates de méthane. Mais, d'’après le chercheur qui travaille dans une institution nationale de la ressource minière, c'’est une vérité exagérée. La position exacte des hydrates de méthane est la mer devant l’île de Uleung. (Voir annexe document 9, page 17) ! La longueur de la chaîne carbonée de pétrole est beaucoup plus longue que celle du méthane. La longueur de la chaîne carbonée est responsable de la quantité de l'énergie et de dioxyde de carbone liberé. C'est-à-dire, avec la même quantité de masse, les hydrates de méthane sont beaucoup plus écologiques que le pétrole. Mais pour produire la même quantité d’énergie, la différence de la quantité de dioxyde de carbone émis n'est pas importante. ! !!

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Conclusion - Synthèse !Depuis la première découverte des hydrates de gaz au XIXe siècle, les recherches d’exploration et d’extraction ont énormément avancé et les risques ont été largement décrits et quantifiés. En revanche, les problèmes politiques auxquels nous nous sommes intéressés n’ont aucun rapport direct avec les hydrates de méthane. Cependant, il y a encore un problème à résoudre pour aujourd’hui : c’est la productivité. Toutes les utilisations des hydrates de méthane sont encore à l’état expérimental. Pour réaliser la commercialisation des hydrates de méthane, il faut que les hydrates de méthane ont un grand avancement sur la productivité qui peut baisser le coût produit pendant l'extraction. Cette fois-ci, on s’intéressera au Shale gaz qui est devenu une préoccupation mondiale de l’énergie. !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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!!!Bibliographie !-Connaissance des Energies. Hydrate de méthane. Disponible sur : http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/hydrates-de-methane !-Wikipédia. Hydrate de méthane. disponible sur : http://fr.wikipedia.org/wiki/Hydrate_de_méthane !-Korea institute of energy research. Houille. Disponible sur : http://www.kier.re.kr/energy/fossil_view.jsp -The Korea Atomic Energy Research Institute. Qu'est-ce que c'est des hydrates de methane? Disponible sur : https://atomic.or.kr/atomica/read.html?chapter=15-1-1-5 ou http://blog.daum.net/windada11/8759507 !-Kim Kuang kyun. 150 milliards de won dans la mer de l'est 'monte a la surface'.E2news. 13 avril 2010.143. Disponible sur : http://blog.daum.net/windada11/8759507 ou http://www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=35540 !-Jo Won Il. Gas hydrate current and futur development. Disponible sur : http://www.google.co.kr/url?sa=t&rct=j&q=%ED%95%9C%EA%B5%AD%20%EA%B0%80%EC%8A%A4%20%EA%B3%B5%EC%82%AC%20%EA%B0%80%EC%8A%A4%20%ED%95%98%EC%9D%B4%EB% 9 3 % 9 C % E B % A 0 % 8 8 % E C % 9 D % B 4 % E D % 8 A%B8&source=web&cd=2&sqi=2&ved=0CC8QFjAB&url=http%3A%2F%2Fwww.kgu.or.kr%2Fdownload.php%3Ftb%3Dbbs_021%26fn%3Dd164d796d27d465cc638c532e6159228.pdf%26rn% 3 D D M E . p d f & e i = I H H E U N -IMMyViQe25ICQAQ&usg=AFQjCNFlcAjJhLoztUIBEh5y8a4EgJn2GQ&cad=rjt -National Energy Technology Laboratory. The National Methane Hydrates R&D Program(The Mallik 2002 consrotium : Drilling and Testing a Gas Hydrate Well). Disponible sur : http://www.netl.doe.gov/technologies/oil-gas/FutureSupply/MethaneHydrates/projects/DOEProjects/Mallik-41007.html !-Young-Ah Kwon, Jong-MOk Park, Kwang-Eun Jeong, Chul-Ung Kim,Tae-Wan Kim, Ho-Jeong Chae,Soon-Young Jeong, Jin-Heong Yim, Young-Kwon Park, Ju-dong Lee.Synthesis of anionic multichain type surfactant and its effect on methane gas hydrate formation.Journal of Industrial and Engineering Chemistry.25 decembre 2010. !-bulletins-electroniques. Une équipe de recherche réussit l'extraction d'hydrate de méthane par injection de co2. Disponible sur : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/70057.htm !-pearltrees de chaacataac. CH4 - hydrates de méthane. Disponible sur : http://www.pearltrees.com/#/N-s=1_3954919&N-fa=16279&N-u=1_1360&N-p=31139939&N-f=1_3954919 !-CBCnews. Methane hydrates : energy's most dangerous game. Disponible sur : http://www.cbc.ca/news/technology/story/2008/10/07/f-forbes-naturalgas.html !-le Monde. Une guerre entre le japon et ses voisins est improbable. Disponible sur :

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http://www.lemonde.fr/idees/article/2012/09/21/une-guerre-entre-le-japon-et-ses-voisins-est-improbable_1763569_3232.html?xtmc=dokdo&xtcr=2 !-le journal Maeil. '150 billions de won' d'hydrate de méthane à la mer profonde du Dokdo. Disponible sur : http://www.imaeil.com/sub_news/sub_news_view.php?news_id=19584&yy=2009 !-le jornal Donga. hydrate de methane. Disponible sur : http://www.donga.com/docs/magazine/new_donga/9809/nd98090130.html !-Dokdocenter. l'importance de Dokdo. Disponible sur : http://www.dokdocenter.org/dokdo_news/index.cgi?action=detail&number=2967&thread=25r01 !-le journal Segye. l'énergie qui remplacera la ressource fossile est enterre a la mer près de Dokdo… le japon convoitise. Disponible sur : h t t p : / / m u n h a k . s e g y e . c o m / A r t i c l e s / N E W S / O P I N I O N / A r t i c l e . a s p ?aid=20110413005095&sid=1000058&subctg1=05&subctg2=02 !-Les hydrates de méthane : une réserve énergétique énorme , mais une bombe écologique en puissance. Disponible sur : http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/hydrates.methane.htm !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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Annexe !DOCUMENT 1 !

� (source : http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/hydrates-de-methane) !Document 2 !

� !(source : http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/hydrates.methane.htm)

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Document 3

!(source : http://www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=35540) !Document 4 !!!!!!!!!!!!!!!!(source : Korea gas corporation. La developpement atcuelle et le persepective de la technique d’hydrate de gaz et de DME) !!!!!

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!!Document 5 ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(source : Korea gas corporation. La developpement atcuelle et le persepective de la technique d’hydrate de gaz et de DME) !!Document 6 !!!!!!!!!!!!!!!!!

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!!!!(source : http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/prospection-exploration-gaziere-et-petroliere) !Document 7 !!!!!!!!!!(source : Korea gas corporation. La developpement atcuelle et le persepective de la technique d’hydrate de gaz et de DME) !Document 8 ! !!Document 9 !!!!!!!!!!!!!!(source : Korea gas corporation. La developpement atcuelle et le persepective de la technique d’hydrate de gaz et de DME) !!!!

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!!!!!!!!!!!Document 9 ! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(source : Korea gas corporation. La developpement atcuelle et le persepective de la technique d’hydrate de gaz et de DME)

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