Comment l’hydrogène naturel, enfoui profondément dans la Terre, pourrait servir de nouvelle source d’énergie
Dans la recherche de sources d’énergie plus nombreuses, nouvelles et plus propres, une ressource largement inexploitée émerge : l’hydrogène naturel. Contrairement à l’hydrogène produit par des procédés industriels, l’hydrogène naturel se forme par des réactions géologiques qui se produisent normalement au sein de la croûte terrestre , ce qui signifie qu’il ne coûte rien à produire – même s’il a un certain coût à extraire – et qu’il n’émet ni dioxyde de carbone ni autres polluants d’origine humaine.
Aujourd’hui, l’hydrogène est principalement utilisé dans le raffinage du pétrole , la production d’ammoniac pour les engrais et la fabrication de méthanol , qui peut servir de carburant et de composant pour les plastiques. Les technologies émergentes font de l’hydrogène un carburant viable pour les voitures , les avions , les navires et les usines . La demande mondiale d’hydrogène devrait passer d’environ 90 millions de tonnes en 2022 à plus de 500 millions de tonnes d’ici 2050. Une partie de cet approvisionnement pourrait également provenir de ressources naturelles.
Pour décrire chaque source d’hydrogène, les chercheurs en énergie, et l’industrie énergétique dans son ensemble, utilisent un code couleur . En général, l’hydrogène « gris » et l’hydrogène « bleu » sont produits par la combustion d’énergies fossiles. L’hydrogène bleu intègre une technologie qui capture le dioxyde de carbone produit lors de ce processus afin de réduire les émissions. L’hydrogène « vert » provient de l’électrolyse de l’eau alimentée par des énergies renouvelables, un procédé qui utilise l’électricité pour séparer l’eau en hydrogène et en oxygène. L’hydrogène « blanc » ou « or » est présent naturellement dans le sous-sol et peut être extrait directement après un traitement minimal.
Comment l’hydrogène naturel se forme
L’hydrogène naturel provient de plusieurs processus géologiques. Le mécanisme le mieux étudié est la serpentinisation , une réaction au cours de laquelle l’eau interagit avec des roches riches en fer, appelées roches ultramafiques , libérant ainsi de l’hydrogène gazeux.
La serpentinisation se produit dans divers contextes à travers le monde , notamment au niveau des dorsales océaniques et des formations continentales telles que le rift du Midcontinent en Amérique du Nord, une bande composée principalement de roches ignées avec quelques roches sédimentaires mélangées, qui s’étend du Minnesota à la région du lac Supérieur et vers le sud jusqu’au Kansas.
Un autre processus, la formation thermogénique d’hydrogène , se produit dans les bassins sédimentaires profonds lorsque la matière organique se décompose à haute température, entre 250 et 500 degrés Celsius environ. Ces réactions peuvent également produire de l’hydrogène ainsi que d’autres gaz , comme le méthane ou l’azote.
Ces processus se déroulant sur des millions d’années, l’utilisation de l’hydrogène naturel requiert généralement beaucoup moins d’énergie que les méthodes artificielles telles que l’électrolyse, qui consomme environ 50 kilowattheures d’électricité par kilogramme d’hydrogène produit – soit suffisamment d’énergie pour alimenter un foyer moyen pendant un ou deux jours , et plus que ce kilogramme d’hydrogène ne peut en fournir. L’hydrogène naturel est déjà présent ; il suffit de le collecter.
La science et la recherche
Des chercheurs et des sociétés d’exploration développent des méthodes similaires à celles utilisées dans l’exploration pétrolière et gazière pour localiser les gisements potentiels d’hydrogène. Ils étudient trois types de formations géologiques :
- L’infiltration localisée, où l’hydrogène s’écoule naturellement à travers les fissures et les failles, tend à atteindre la surface et à se disperser rapidement, rendant difficile sa capture à grande échelle .
- Les gisements de charbon, où l’hydrogène se lie aux couches de charbon , offrent une densité potentielle plus élevée mais leur extraction s’avère complexe. L’hydrogène doit d’abord être séparé du charbon, puis circuler à travers des couches rocheuses compactes jusqu’au point d’extraction.
- Les systèmes réservoir-piégeage-scellement, comparables aux formations rocheuses qui emprisonnent le gaz naturel sous terre , sont considérés comme les plus prometteurs pour la production commerciale car ils permettent de concentrer de grands volumes d’hydrogène dans des structures bien définies et forables. Cependant, leur efficacité reste largement à prouver en pratique : si le principe de base est bien établi et que les géologues ont une bonne idée de l’emplacement potentiel de ces formations, ils manquent encore de données précises sur la quantité d’hydrogène qu’elles contiennent réellement et sur la facilité d’extraction.
Des réserves massives – quelque part
L’Institut d’études géologiques des États-Unis (USGS) estime que plus de 5 000 milliards de tonnes d’hydrogène géologique pourraient se trouver sous terre dans le monde. Cependant, seule une petite fraction de cette quantité serait exploitable, tant sur le plan technique qu’en termes de coûts raisonnables.
Cependant, même 2 % de ce total représenteraient plus que toutes les réserves prouvées de gaz naturel de la planète et suffiraient à satisfaire la demande prévue pour les 200 prochaines années , même en tenant compte de l’augmentation de la consommation .
Toutes ces réserves se sont constituées sur des milliards d’années. La Terre produit naturellement entre 15 et 31 millions de tonnes d’hydrogène naturel chaque année, soit moins de 1 % des besoins annuels estimés d’ici 2050. Mais seule une fraction de cette quantité pourra vraisemblablement être captée efficacement.
L’hydrogène géologique est donc probablement mieux considéré comme une source d’énergie à faible teneur en carbone très importante mais finalement finie, qui peut compléter de manière substantielle, mais non remplacer, d’autres sources d’énergie, y compris diverses méthodes de production d’hydrogène.
Points chauds mondiaux
Actuellement, seul un gisement d’hydrogène, situé dans le village de Bourakébougou au Mali, produit de l’hydrogène naturel à l’échelle commerciale, fournissant des dizaines de tonnes d’hydrogène par an pour alimenter le village.
Cependant, le nombre d’entreprises explorant les ressources en hydrogène naturel a augmenté rapidement, passant d’une dizaine en 2020 à une quarantaine fin 2023 , selon Rystad Energy et des rapports gouvernementaux et de laboratoires de recherche connexes .
Hormis ce gisement au Mali, l’exploration se concentre aux États-Unis, en Australie , au Canada et dans plusieurs pays européens .
Aux États-Unis, le projet Nemaha d’HyTerra, au Kansas, a confirmé des concentrations d’hydrogène dans le sous-sol atteignant plus de 90 % d’hydrogène et 3 % d’hélium. Plus la concentration d’hydrogène est élevée, plus son extraction est efficace et rentable. HyTerra mène également des explorations dans d’autres régions du Midwest et des montagnes Rocheuses .
Barrières techniques
Transformer l’hydrogène géologique en une source d’énergie exploitable pose d’importants défis scientifiques et techniques. La détection et la mesure de l’hydrogène souterrain sont difficiles en raison de sa petite taille moléculaire et de sa réactivité avec d’autres éléments présents dans les roches .
Et si l’on trouve de faibles concentrations d’hydrogène mélangées à de grandes quantités d’autres gaz, il peut être coûteux, voire prohibitif, de séparer et de purifier l’hydrogène avant de pouvoir l’utiliser.
Économie et efficacité
Le potentiel économique de l’hydrogène naturel réside dans sa simplicité.
Étant donné que les processus géologiques ont déjà effectué le travail de production, les premières estimations suggèrent que les coûts d’extraction pourraient représenter un dixième des coûts de production des autres techniques traditionnelles de production d’hydrogène , voire même moins.
Cependant, ces chiffres reposent sur les faibles quantités d’hydrogène découvertes jusqu’à présent et pourraient ne pas refléter les performances futures à grande échelle. Produire suffisamment d’hydrogène pour répondre à la demande commerciale nécessitera la découverte de gisements importants et de haute qualité .
Comme l’a souligné un groupe de recherche de premier plan : « Il ne s’agit pas d’une ruée vers l’or . » C’est une exploration minutieuse de preuves scientifiques qui pourraient mener, à terme, à une source d’énergie abondante, sans carbone et continue, complémentaire aux autres sources d’énergie renouvelables .