De l’hydrogène naturel sous nos pieds

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Les géologues ont découvert en plusieurs sites continentaux de par le monde des émissions d’hydrogène en quantités importantes. Une prochaine révolution énergétique se profile-t-elle ?

Les carolina bays sont des dépressions elliptiques peu profondes (au centre de cette vue aérienne prises par par Lidar, un équivalent du radar dans le domaine visible) présentes en grand nombre sur la côte atlantique des États-Unis. Leur taille varie de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres. Leur origine est indéterminée. Il émane de certaines d’entre elles des quantités notables d’hydrogène.© cintos.org

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ll y a un peu plus de deux ans, un communiqué de presse de l’IFPEN (Institut français du pétrole et des énergies nouvelles) provoquait un mini déferlement médiatique dans le monde de la vulgarisation scientifique : on y apprenait que de l’hydrogène est émis non seulement au fond des océans – on le savait depuis les années 1970 par les travaux de l’Ifremer – et dans certaines chaînes de montagnes, mais aussi en plein milieu des continents. En outre, on avait déjà trouvé des gisements de ce gaz combustible, sans les avoir cherchés. En trouver d’autres, cette fois en les cherchant, semblait donc un pari prometteur. De fait, nos recherches effectuées en collaboration avec une équipe russe suggèrent que les sites où de l’hydrogène s’échappe du sol sont très nombreux sur les continents.

De l’hydrogène gazeux présent sur Terre en abondance, sans avoir à le fabriquer ? Si tel est bien le cas, le secteur de l’énergie pourrait être bouleversé. Ce n’est pas tous les jours qu’une nouvelle source d’énergie se révèle, et une telle découverte embarrasse les décideurs. En effet, lancer de grands programmes de recherche et développement sur un sujet pionnier, comme l’est celui de l’hydrogène naturel, est risqué : le succès pourrait ne pas être au rendez-vous (mais si on connaissait, avant de lancer un programme de recherche, son résultat final, la recherche n’existerait plus…).

Par ailleurs, après bientôt deux siècles de dépendance vis-à-vis des énergies fossiles (charbon et pétrole), envisager de nouvelles structures techniques et sociétales pour y intégrer l’hydrogène naturel est un défi. Il est plus aisé d’exploiter de vieilles sources d’énergie (le soleil, le vent) avec des technologies d’aujourd’hui (panneaux photovoltaïques, éoliennes)…

L’hydrogène qui nous occupe ici se réfère au composé gazeux H₂, plus proprement nommé dihydrogène, et dont les molécules sont l’association de deux atomes d’hydrogène au sens strict, l’élément le plus abondant de l’Univers. La découverte de gisements d’hydrogène laisse-t-elle espérer un meilleur avenir énergétique pour l’humanité ? Nous allons tenter de faire le point sur cette question, mais il faut bien garder à l’esprit que si l’on n’entreprend pas de recherches pour approfondir nos connaissances, l’hydrogène n’a aucune chance de devenir une source significative d’énergie.

Précisons pour commencer que le marché industriel de l’hydrogène est aujourd’hui bien plus important qu’on ne l’imagine : son chiffre d’affaires dépasse les 100 milliards de dollars par an dans le monde. Le volume d’hydrogène que nous consommons, principalement dans les raffineries et dans l’industrie de l’ammoniac, correspond à environ 22 % de la consommation de « gaz naturel » (terme qui désigne, de façon simplifiée et abusive, le méthane extrait du sous-sol).

Cependant, cet hydrogène est en totalité fabriqué par l’homme, et ce à 94 % à partir d’énergies fossiles (méthane, pétrole, charbon), le reste par hydrolyse. Son coût est très élevé, tant sur le plan financier que sur le plan environnemental : à énergie égale, il coûte environ cinq fois plus que le pétrole, et pour un kilogramme d’hydrogène fabriqué,…

Les promesses de l’hydrogène naturel issu du sous-sol

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Il existe des sources, des réservoirs et des couvertures qui permettent une accumulation d’hydrogène naturel dans le sous-sol. Son extraction commence à être envisagée et les réserves sont potentiellement considérables. La combustion de l’hydrogène n’émet aucun gaz à effet de serre.

La mobilité hydrogène se développe et est affichée «verte». Mais l’hydrogène, le dihydrogène en fait, H₂, est fabriqué à 95 % en émettant du CO₂ à partir d’hydrocarbures ou en les brûlant. Certains procédés consistent à séparer le carbone de l’hydrogène dans les hydrocarbures (CH₄ pour le gaz naturel) d’autres utilisent l’électrolyse pour séparer l’hydrogène de l’oxygène dans l’eau H₂0, mais avec de l’électricité encore souvent carbonée.

À l’inverse, depuis quelques années, au Mali, un village est électrifié grâce à la production d’hydrogène «natif», ou «naturel»: celui qu’on trouve dans le sous-sol. Cette source d’hydrogène pourrait-elle être une alternative généralisable?

Une nouvelle ressource naturelle?

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Au Mali, un puits foré pour chercher de l’eau s’est avéré sec, mais a fortuitement rencontré de l’hydrogène qui a été mis en production par la compagnie Hydroma.

L’hydrogène natif, quasiment pur dans ce cas, est directement brûlé dans une turbine à gaz adaptée, et produit l’électricité pour un petit village. D’autres puits alentour ont été forés pour essayer de déterminer les réserves, au sens de l’oil & gas, et de changer d’échelle.

Ce succès a fait voler en éclat nombre d’a priori: beaucoup croyaient en effet qu’aucune accumulation naturelle d’H₂ dans le sous-sol ne pouvait exister. Le puits initial produit depuis 4 ans sans baisse de pression, ce qui signifie qu’il se recharge en continu.

De plus, les mesures en surface du contenu des sols en H₂ ne montrent pas de fuites. Celles-ci étaient plutôt attendues, car la molécule d’H₂ est très petite et très réactive, et elle peut donc migrer facilement et se combiner avec d’autres espèces chimiques. Cette découverte au Mali montre qu’il y a des sources, mais aussi des réservoirs et des couvertures qui permettent une accumulation d’hydrogène dans le sous-sol.

D’où vient cet hydrogène?

L’hydrogène est la molécule la plus commune dans l’univers, mais il n’existe qu’en très faible quantité dans l’atmosphère terrestre –moins d’une molécule sur un million. Sur Terre, on trouve l’hydrogène combiné à l’oxygène dans l’eau, au carbone dans tous les hydrocarbures et aussi sous forme libre: c’est cet H₂ qui pourrait être notre carburant de base de demain.

L’hydrogène est un carburant dont la combustion ne crée pas de CO₂, mais de l’eau –un gros avantage pour la mobilité verte. Il est léger, mais par kilo il a une densité énergétique 3 fois supérieure à celle de l’essence, d’où son utilisation sous forme liquide pour le lancement d’Ariane par exemple. À pression et température ambiante, par unité de volume, il est au contraire peu dense énergétiquement. Dans les voitures, les bus ou les trains, l’H₂ il est donc employé comprimé.

Mais où trouver de l’H₂ vert en quantité? Il y a différentes solutions techniques, l’électrolyse à partir d’électricité verte en est une, une gazéification de la biomasse favorisant l’H₂ au détriment du biométhane en est une autre, la production de l’H₂ natif pourrait s’avérer la plus efficace. Peut-on l’espérer à grande échelle?

Une bonne partie des questions scientifiques liées à la production d’hydrogène naturel restent à éclaircir, mais beaucoup de données suggèrent que l’H₂ natif vient des interactions entre l’eau et les roches. Les géologues appellent ça la diagénèse. Exemple de réaction, le fer ferreux (Fe²⁺) contenu dans des roches en contact avec de l’eau s’oxyde en fer ferrique (Fe³⁺), libérant l’H₂. L’eau peut être celle de la mer, on observe ces réactions au niveau de toutes les dorsales médio-océaniques, ou celle de la pluie et c’est ce qu’on observe en Islande.

Ce type de réaction peut aussi se faire avec d’autres métaux comme le magnésium; elle est rapide et efficace à haute température, vers 300 °C, mais est aussi possible à des températures plus basses d’une centaine de degrés. La cinétique de ces réactions fait l’objet de nombreuses recherches.

Autre source de dihydrogène naturel: la radiolyse, qui casse les molécules d’eau en hydrogène et oxygène, grâce à l’énergie de la radioactivité naturelle des roches.

Les estimations de la production d’H₂ par ces deux sources, diagenèse et radiolyse, sont importantes, mais encore peu précises: selon les auteurs de quelques pour cent à la totalité de la consommation actuelle d’H₂, soit 70 millions de tonnes par an.

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D’autres sources, comme la friction sur les plans de faille et l’activité de certaines bactéries en présence d’une autre source d’énergie, libèrent aussi de l’H₂, mais, a priori, en quantités moindres. Ce qu’il est important de noter est que dans tous ces cas, il s’agit d’un fluxd’hydrogène, c’est-à-dire une production continue, et non d’une ressource fossile, qui n’existerait qu’en stock fini à l’échelle humaine.

Une autre hypothèse est avancée par certains chercheurs, de grandes quantités de l’hydrogène primordial – celui présent à la formation du système solaire et de la Terre – auraient pu être préservées dans le manteau, voire dans le noyau terrestre. Dans cette hypothèse, l’H₂ est un stock certes fossile mais quasi infini.

L’hydrogène existe donc sur et sous terre, son extraction directe commence à être sérieusement envisagée pour un H₂ réellement vert et peu cher, y compris du côté industriel. Par exemple, une compagnie d’exploration dédiée à l’hydrogène, NH₂E, a été créée aux USA et y a foré un premier puits au Kansas fin 2019.

En France, la société 45-8 cherche de l’hélium et de l’H₂ –l’hélium est un gaz stratégique, car c’est un gaz rare nécessaire à beaucoup d’industries électroniques, beaucoup plus cher que l’H₂. Comme ils sont parfois liés dans le sous-sol, la production d’hélium apparaît comme une priorité.

Volcans sous-marins, fumerolles, chaînes de montagnes…

Comme déjà expliqué, les roches émises par les volcans des rides médio-océaniques réagissent au contact de l’eau, libérant de l’hydrogène.

Ce type de volcan s’observe aussi là où les rides médio-océaniques affleurent à la surface de la Terre, soit parce qu’elles sont en train de se former comme aux Afars –le point triple entre les axes centraux de la mer Rouge, du Golfe d’Aden et du rift est-africain –soit parce qu’elles sont soulevées par des phénomènes plus profonds, par exemple en Islande. De fait, dans cette île, les fumerolles de l’axe central du rift contiennent toutes de l’hydrogène. Actuellement, seule la chaleur de ces fumerolles est récupérée dans les centrales électriques géothermiques, mais on pourrait envisager d’y coupler la récupération de l’hydrogène.

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Dans les zones où se forment les montagnes, ces croûtes océaniques peuvent aussi arriver à proximité de la surface et s’oxyder, des émanations d’H₂ ont été remarquées dans ce contexte géologique en Oman, aux Philippines, en Nouvelle-Calédonie et même dans les Pyrénées.

D’autres émanations de surface sont observées en Russie (aux alentours de Moscou), aux USA (Caroline du Sud, Kansas), mais aussiau Brésil et dans beaucoup d’autres endroits, toujours dans les régions où le socle est très ancien et riche en métaux : la source pourrait être relativement similaire, oxydation d’un matériel riche en fer et libération de l’hydrogène.

Quelle quantité d’hydrogène dans le sous-sol?

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Certains voudraient connaître les réserves prouvées avant de se lancer dans une aventure d’exploration de l’H₂. La question paraît loufoque aux géologues, car on ne connaît toujours pas les réserves d’hydrocarbures après plus de cent ans de forage et de travaux intensifs.

Il y a très peu de puits dédiés à l’exploration de l’hydrogène naturel, donc on ne sait pas, mais il y a des émanations de surface. Que nous indiquent-elles sur la probabilité que l’H₂ natif représente à moyen terme une part importante de l’H₂ consommé?

En Russie, aux États-Unis, au Brésil, au Canada, en Australie, en Namibie, de légères dépressions plutôt circulaires sont bien visibles sur des photos aériennes : ce sont les «ronds de sorcières». Souvent la végétation y meurt et si on y va avec un détecteur de gaz, on note que de l’hydrogène s’en échappe.

Pour tirer des conclusions sur la possibilité d’une production de cet hydrogène, il faut évidemment connaître le flux et non juste la concentration, ce que permettent de nouveaux capteurs. Prétendre que l’on comprend précisément le système serait un mensonge, mais les données convergent vers une production continue (sur des années) dans des quantités importantes. Les fuites que nous mesurons sont entre 50 et 1900 kg par km² et par jour, à comparer avec les 5 kg nécessaires au réservoir d’une voiture à hydrogène.

Sur un bassin entier, il y pourrait donc y avoir des productions en millions de tonnes par an. En additionnant les bassins, les dorsales et les zones géothermales, les chiffres sont encore plus grands, mais toujours incertains puisque les premières données sont seulement en train d’être acquises.

Nous savons donc désormais que de l’hydrogène est produit tous les jours en quantité «industrielle» par l’interaction eau/roche. Une partie s’échappe et nous la mesurons dans les gaz des sols des ronds de sorcières. L’autre partie doit s’accumuler dans des réservoirs, comme l’eau ou les hydrocarbures – c’est la partie trouvée au Mali.

Il reste à déterminer les endroits les plus prospectifs et, selon le contexte, soit le séparer des autres gaz présents dans les flux géothermaux qui arrivent jusqu’à la surface, soit forer.

Pour des raisons économiques, «le plus prospectif» va s’entendre en termes de réserves, c’est-à-dire de quantité d’H₂, mais aussi de coût de production: un puits à 110 m de profondeur comme celui en service au Mali est peu onéreux et on fore aussi très facilement, mais avec un peu plus d’argent, sur plusieurs km dans l’industrie géothermale – il faut aussi penser en termes de proximité du consommateur.

Isabelle Moretti Membre de l’Académie des Technologies, chercheur associé E2S, Université de Pau et des Pays de l’Adour, et ISTEEP, Sorbonne Université

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original sur The Conversation.hydrogène naturelproduction d’hydrogène

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