L’hydrogène naturel : curiosité géologique ou source d’énergie majeure dans le futur ?

Il y a un siècle, on fabriquait du gaz de ville en brûlant du charbon, puis de grandes réserves de gaz naturel ont été trouvées et on a cessé de fabriquer ce gaz qui coûtait plus cher que le « natif », contenait du CO hautement toxique et dont la fabrication était polluante. La même évolution va-t-elle avoir lieu pour l’hydrogène ? L’hydrogène consommé est actuellement très majoritairement produit à partir de méthane, ou plus généralement d’hydrocarbures, par vapocraquage, un mode de production évidemment très carboné.

L’hydrogène existe aussi sur et sous terre et son extraction directe, bien qu’encore anecdotique aujourd’hui, commence à être sérieusement envisagée pour disposer d’hydrogène réellement « vert » et peu cher⁽¹⁾. Faisons le point des connaissances et des questions ouvertes.

Quelle est l’origine de l’hydrogène « naturel » ?

L’hydrogène est présent dans l’univers, c’est même la molécule qui y est la plus commune. Dans l’atmosphère terrestre, il n’existe néanmoins qu’en très faible quantité (de l’ordre de 0,5 ppm). Sur Terre, on trouve essentiellement l’hydrogène sous forme combinée - à l’oxygène dans l’eau (H₂0), au carbone (CH₄, C₂H₆, etc.) - mais aussi directement sous forme gazeuse.

Plusieurs phénomènes entraînent en effet une génération continue d’hydrogène dans la croûte terrestre. L’interaction eau/roche, la diagénèse, va libérer l’hydrogène de l’eau lors de phénomènes d’oxydation, phénomènes que l’on observe dans différents contextes géologiques. Dès qu’il y a, par exemple, du fer « ferreux » (Fe²⁺) en contact avec de l’eau (de mer ou de pluie), il s’oxyde en ferrique Fe³⁺ et libère de l’hydrogène. La même réaction peut aussi se faire avec d’autres métaux comme le magnésium ; elle est rapide et efficace à haute température - vers 300°C - mais aussi possible à des températures plus basses.

D’autres sources d’hydrogène naturel sont connues : la radioactivité naturelle de la croûte terrestre⁽²⁾ (radiolyse) peut notamment séparer hydrogène et oxygène de l’eau et libérer ces gaz.

La préservation de grandes quantités d’H₂ « primordial » est aussi une piste explorée par certains chercheurs... 

Les estimations du flux naturel d’hydrogène par ces deux premières sources - diagénèse et radiolyse - sont importantes mais encore peu précises : elles varient selon les auteurs de quelques pourcents à 100% de la consommation actuelle d’hydrogène dans le monde (qui avoisine 70 Mt/an). La friction sur les plans de failles et l’activité de certaines bactéries libèrent aussi de l’hydrogène mais, à priori, en quantités moindres. Il est important de noter qu’il s’agit, dans tous ces cas, d’un flux d’hydrogène et non d’une ressource fossile.

En parallèle, la préservation de grandes quantités d’H₂ « primordial » (présent à l’initiation du système solaire, dans le manteau, voire dans le noyau terrestre lors de la formation de la Terre) est aussi une piste explorée par certains chercheurs : il s’agirait dans ce cas d’une ressource certes fossile mais quasi infinie. À titre de comparaison, l’ensemble du volume de pétrole produit depuis le démarrage de l’industrie pétrolière (≈ 240 km³) équivaut au volume de la montagne Sainte-Victoire… à comparer au volume du manteau terrestre (≈ 920. 10⁹ km³)…

Où ces réactions se produisent elles ?

Les minéraux des roches émises par les volcans sous-marins des rides médio-océaniques, en particulier l’olivine, s’oxydent au contact de l’eau et libèrent de l’hydrogène. Au niveau des fumeurs de la ride médio Atlantique, ces émanations sont étudiées depuis longtemps, en particulier pour comprendre l’apparition de la vie sur Terre.

Il y a une douzaine d’années, certains auteurs avaient même déjà fait des calculs sur l’économie de la récupération de cet hydrogène en offshore et à grande profondeur⁽³⁾. À l’époque, personne n’y avait prêté attention, les conditions - profondeur d’eau, distance des côtes - étant jugées trop difficiles pour permettre une économie du système malgré l’importance du flux d’hydrogène.

Le sultanat d’Oman et les Philippines sont les cas les plus étudiés mais des émanations d’hydrogène ont aussi été notées en Nouvelle-Calédonie ou même dans les Pyrénées.

Cette industrie, comme celle de toutes les autres ressources naturelles, ne peut démarrer qu’à terre. Fort heureusement, ce type de volcan s’observe aussi là où les rides médio-océaniques affleurent, ces dernières pouvant être en train de se former comme au niveau de la dépression de l’Afar (Corne de l’Afrique⁽⁴⁾) ou être soulevées par des phénomènes plus profonds (un point chaud) comme en Islande. De fait, dans cette île, les fumerolles de l’axe central du rift contiennent toutes de l’hydrogène ; pour l’instant seules les calories de l’eau, le fluide caloporteur, sont utilisées dans les centrales électriques mais il pourrait en être autrement.  De façon générale, une production d’hydrogène par séparation en surface en complément de la géothermie serait possible dans beaucoup de zones. Cette piste nous paraît à explorer vu les difficultés rencontrées à essayer de rendre économiques de nombreux projets de géothermie haute température.

Ces croûtes océaniques qui peuvent s’oxyder se retrouvent aussi en surface, ou proches de la surface, dans des zones de suture, là où la compression et l’empilement des nappes forment les montagnes. Le sultanat d’Oman et les Philippines sont les cas les plus étudiés mais des émanations d’hydrogène ont aussi été notées en Nouvelle-Calédonie ou même dans les Pyrénées. Souvent, cet hydrogène réagit immédiatement avec le dioxyde de carbone de l’atmosphère et précipite en carbonate : une capture et une utilisation du CO₂ (CCU) naturel et spectaculaire.

Autre contexte géologique : les cratons protérozoïques (plus de ½ milliard d’années). De l’hydrogène en onshore a été observé en Russie (aux alentours de Moscou), aux États-Unis (Caroline du Sud, Kansas), mais aussi dans beaucoup d’autres endroits, comme le prouve une synthèse publiée en 2020 par le chercheur Viacheslav Zgonnik⁽⁵⁾ qui en a recensé des centaines. La source pourrait être relativement similaire : oxydation d’un matériel riche en fer et libération d’H₂, ces fuites de surface sont systématiquement dans les régions où le socle est très ancien et riche en métaux.

Carte non exhaustive des émanations déjà connues d’hydrogène natif et de méthane abiotique dérivé de l’hydrogène qui réagit en particulier au niveau des fumeurs avec le CO₂. (©Isabelle Moretti, modifiée d’après Prinzhofer et Deville, 2015)

Un exemple de production d’hydrogène natif : Hydroma au Mali

Au Mali, le forage d’un puits pour chercher de l’eau (qui s’est avéré sec) a fortuitement rencontré de l’hydrogène qui a été mis en production par la compagnie Petroma, maintenant rebaptisée Hydroma⁽⁶⁾. Son directeur, Aliou Diallo, y a vu la possibilité d’une énergie locale et décarbonée dans un pays qui en est privé. L’hydrogène natif qui sort de ce puits est quasiment pur (à plus de 96%). Il est directement brûlé sur place dans une turbine à gaz afin de produire de l’électricité pour un petit village.

D’autres puits alentours ont été forés par Hydroma pour essayer de déterminer les réserves (au sens de l’oil & gas) et de changer d’échelle, avec potentiellement la mise en place d’une usine de production d’ammoniac. À ce stade, aucune réserve ne peut néanmoins être annoncée, tous les puits n’ayant pas encore été testés⁽⁷⁾.

Ce succès a fait voler en éclat beaucoup d’aprioris : le puits initial produit depuis maintenant 4 ans sans baisse de pression (4 bars), et ce, alors que le réservoir n’est qu’à 110 m de profondeur. Les mesures en surface des capteurs d’hydrogène ne montrent pas de fuite, ce qui permet de conclure qu’il y a, contrairement à ce que beaucoup attendaient (compte tenu de la taille de la molécule d’H₂ et de sa capacité à se recombiner chimiquement), des roches couvertures permettant une accumulation d’hydrogène, celui-ci pouvant ainsi rester en phase gazeuse sous nos pieds.

En France, la société 45-8 Energy cherche de l’hydrogène et de l’hélium, ces gaz étant parfois liés dans le sous-sol.

Aliou Diallo et son équipe ont beaucoup fait pour attirer l’attention sur ce bassin, d’autant que l’hydrogène y serait produit à nettement moins qu’un dollar par kilo. Un mélange de conditions autres que géologiques, essentiellement politiques et économiques, n’a pas permis que la communauté scientifique s’empare du sujet. 

Néanmoins, ces nouvelles données, dans un contexte de recherche de mix énergétique décarboné, ont relancé l’intérêt pour le sujet et différents projets (tant de recherche que d’exploration) ont vu le jour depuis 2018⁽⁸⁾. Une compagnie d’exploration dédiée à l’hydrogène, NH2E⁽⁹⁾, a été créée aux États-Unis et a foré un premier puits au Kansas fin 2019. En France, la société 45-8 Energy⁽¹⁰⁾ cherche de l’hydrogène et de l’hélium, ces gaz étant parfois liés dans le sous-sol (la production d’hélium - gaz stratégique et beaucoup plus cher que l’H₂ – paraît une priorité même si le marché de l’hélium en volume est plus restreint).

Les axes de recherche en cours

Que nous indiquent aujourd’hui les émanations de surface d’hydrogène ? Au sud-est de Moscou, on constate⁽¹¹⁾ de légères dépressions, plutôt circulaires, bien visibles sur les photos aériennes, que la communauté scientifique a pris l‘habitude d’appeler des « ronds de sorcières ». Souvent, la végétation y meurt et on y constate avec des détecteurs que de l’hydrogène s’en échappe, de façon non constante et non continue, mais non négligeable. Des observations similaires sont faites aux États-Unis⁽¹²⁾ au Brésil, au Canada, en Australie ou encore en Namibie.

« Rond de sorcière » d'un rayon d'environ 400 m d'où s'échappe de l'hydrogène dans le Minas Gerais, au Brésil (©A. Prinzhofer)

Pour tirer des conclusions sur la possibilité d’une production de cet hydrogène, il faut évidemment connaître le flux et non juste la concentration. Les équipes de recherche d’Engie ont développé un nouveau capteur d’hydrogène⁽¹³⁾ : le flux est mesuré toutes les heures et les données sont envoyées directement par satellite aux chercheurs. Plus d’une centaine de ces capteurs ont été installés dans le bassin de Sao Francisco au Brésil où des pourcentages non négligeables d’hydrogène dans le sous-sol avaient déjà été relevés et où des ronds de sorcières étaient visibles. Ils fonctionnent maintenant depuis presque 2 ans et les premiers résultats publiés⁽¹⁴⁾ confirment le flux important d’hydrogène (mais non continu et non constant sur la structure)⁽¹⁵⁾ : de l’ordre de 7 000 m³/jour sur une structure de 0,4 km². Cet enregistrement a par ailleurs montré que le flux variait de façon systématique au cours d’une journée⁽¹⁶⁾. Cela explique pourquoi certains auteurs ont suggéré dans le passé que les ronds de sorcière étaient des structures mortes : il suffit de passer à la mauvaise heure pour les trouver « endormis »…

Les deux autres questions importantes autour de l’hydrogène naturel sont son mode de transport dans le sous-sol et les conditions de son accumulation. Autrement dit, y-a-t-il des roches assez imperméables pour constituer une couverture d’un réservoir d’hydrogène ? L’hydrogène est un gaz léger et il ne risque à première vue de migrer que verticalement sous forme gazeuse. De récents travaux communs d’Engie et IFP Énergies nouvelles ont permis de remettre en cause cet apriori : l’hydrogène, très peu soluble dans l’eau en surface, devient passablement soluble quand la température et surtout la pression augmentent⁽¹⁷⁾. À plusieurs kilomètres de profondeur, l’hydrogène peut donc se déplacer sous forme dissoute dans les aquifères et ainsi être trouvé loin de sa source et non juste au-dessus. Il existe des roches couvertures pour l’hydrogène (au Mali, la dolérite, roche volcanique⁽¹⁸⁾) mais rien ne prouve que celle-ci peuvent rester étanches sur des millions d’années comme celles des gisements pétroliers.

Pour la production et la distribution de l’hydrogène naturel, les problématiques seront les mêmes que celles pour l’hydrogène « fabriqué » : stockage (en particulier sous terrain), transport sous pression et distribution répondront aux mêmes logiques. Logiques au demeurant différentes de celles du gaz naturel car la liquéfaction, efficace pour le méthane, et qui permet des transports par bateau et un marché mondial du GNL, devient coûteuse et inefficace pour l’hydrogène. La compression est effet exothermique et il faut descendre très bas en température : on peut perdre plus de la moitié de l’énergie de l’hydrogène en le liquéfiant. Il est à prévoir que l’économie de petits champs d’hydrogène proches du consommateur sera la meilleure piste. Au demeurant, la notion de « petits champs » pourrait s’avérer être différente du monde de l’oil & gas puisque la recharge est, d’après ce que nous savons aujourd’hui, continue. Il nous faudra peut-être juste vérifier la vitesse de cette recharge et lui adapter la production.

Conclusions

Soyons clair, nous ne savons pas précisément la quantité d’hydrogène produite journellement sur Terre par les réactions que je viens de résumer et nous ne savons pas quelle quantité de cet hydrogène s’accumule dans des réservoirs où il serait facile de l’extraire. Peut-être n’avons-nous même pas encore identifié toutes les réactions productrices d’hydrogène (les réserves de pétrole continuent à croître après plus d’une centaine d’années de forages précis et on n’avait pas idée de ce qu’était une roche mère, ni un système pétrolier durant les 50 premières années de cette industrie).

Certains voudraient connaitre les réserves prouvées d’hydrogène naturel avant de se lancer dans une exploration à grande échelle. Personne ne chercherait à déterminer les réserves de pétrole en regardant les indices de surface, sachant que seul un infime pourcentage s’en échappe. Notre monde du XXI^e siècle prône l’innovation mais devient de plus en plus réticent face au risque... Heureusement que nos ancêtres n’ont pas attendu de calculer les réserves de fer mondiales pour passer à l’âge de fer.

Les données dont nous disposons aujourd’hui au niveau des fuites d’hydrogène naturel convergent vers une production continue  (sur des années) comprise entre 50 et 1 900 kg/km²/jour (à titre de comparaison, on remplit le réservoir d’une Mirai avec 5 kg d’hydrogène). Cette production ayant été mise en évidence, il faut désormais déterminer les endroits les plus prospectifs, et selon le contexte, soit séparer l’hydrogène en surface des fluides géothermaux, soit forer.

En parallèle de cette prospection, une évolution de la loi minière pour classer l’hydrogène natif sera nécessaire dans certains pays où il n’entre encore dans aucune catégorie permettant de demander un permis d’exploration ou de production.