La Ruée vers l’Hydrogène d’Or : La Terre recèle-t-elle un carburant propre presque illimité ?

À la recherche du trésor de l’hydrogène doré

Les prospecteurs du monde entier se précipitent pour trouver des réserves d’hydrogène “doré”, un carburant naturel qui brûle sans produire de dioxyde de carbone. Mais combien y en a-t-il vraiment et à quel point est-il facile de l’exploiter ?

En quittant Muscat, les bâtiments blancs de la capitale d’Oman cèdent la place à une étendue de sable ouvert devant les imposantes montagnes du Hajar. Il nous faut 2 heures pour atteindre notre destination, un voyage qui comprend notre SUV qui manque de rester coincé dans les ruelles étroites d’une ville. Mais, finalement, le géophysicien Ammar Alali et moi arrivons à une source paisible dans le désert, entourée d’herbes dorées et de palmiers dattiers. Alali fronce les sourcils en regardant un jet de bulles dans une mare d’eau. “C’est de l’énergie gaspillée”, dit-il.

Je suis venu ici parce que les montagnes d’Oman sont à l’avant-garde de la recherche mondiale sur un carburant nouveau et potentiellement transformateur, parfois appelé “hydrogène doré”. Incolore et inodore, ce gaz possède de bonnes références environnementales car il brûle proprement, ne produisant rien d’autre que de l’eau. Habituellement, cependant, nous devons le fabriquer dans un processus émetteur de gaz à effet de serre. Mais ici, dans les montagnes d’Oman, et dans des endroits de géologie similaire à travers le monde, il est naturellement généré sous terre, potentiellement en quantités considérables.

Les partisans de l’utilisation de cette forme d’hydrogène affirment qu’elle pourrait accélérer considérablement notre transition vers la neutralité carbone, ce qui explique pourquoi les chercheurs et les start-ups le prospectent à grande échelle. De nombreuses questions subsistent, cependant, notamment combien il y en a vraiment et s’il peut être facilement exploité. Pour sa part, Alali, co-fondateur de la société de ressources géologiques Eden GeoPower, veut tester quelque chose de encore plus ambitieux : pouvons-nous stimuler le sol pour augmenter la quantité d’hydrogène qu’il produit ?

Rêves d’une économie à l’hydrogène

Les rêves d’une économie à l’hydrogène existent depuis des décennies. Cela signifierait un monde où les camions, les navires, les avions et l’industrie lourde fonctionneraient au gaz propre au lieu de combustibles fossiles polluants. Le problème, c’est que nous devons actuellement fabriquer l’hydrogène nous-mêmes, ce qui nécessite de l’énergie et produit de la pollution. Aujourd’hui, presque les 100 millions de tonnes que le monde utilise annuellement sont fournies en réagissant avec du gaz naturel et de la vapeur, un processus qui libère d’énormes quantités de dioxyde de carbone. Il existe des moyens plus propres de produire de l’hydrogène (voir “L’arc-en-ciel de l’hydrogène” ci-dessous), y compris l’hydrogène vert, qui est fabriqué à partir d’eau à l’aide d’énergies renouvelables, mais ces méthodes sont actuellement des acteurs mineurs de l’industrie.

Dans tous les cas, l’hydrogène synthétique est mieux considéré comme une alternative pour le stockage de l’énergie. Une source naturelle pourrait être une véritable source d’énergie. Cependant, malgré le fait que l’hydrogène soit l’élément le plus abondant de l’univers, la plupart des chercheurs pensaient que les stocks terrestres de sa forme gazeuse étaient rares. Les foreurs à la recherche de combustibles fossiles en trouvaient parfois dans leurs puits et les explorateurs océaniques le voyaient couler des cheminées hydrothermales sous-marines. Mais personne ne cherchait activement de l’hydrogène et ces découvertes étaient considérées comme des exceptions ; on pensait que l’hydrogène était trop réactif pour s’accumuler en grandes quantités.

La découverte du trésor de l’hydrogène naturel

Cette hypothèse a été remise en question en 2012, lorsque l’on a découvert dans un puits d’eau près de la ville de Bourakébougou au Mali une grande réserve d’hydrogène. Ce gaz était naturel, ce qui signifie que la seule énergie nécessaire pour sa production est celle nécessaire pour le collecter. Ce type d’hydrogène porte plusieurs noms – hydrogène blanc, hydrogène naturel, ainsi que l’hydrogène doré – mais il est plus utilement appelé hydrogène géologique. Depuis cette découverte, une série de prospections a conduit à la découverte de réservoirs souterrains potentiellement importants en France, en Espagne et en Australie. Nous avons également trouvé des indices de cet hydrogène dans de vastes zones du globe (voir la carte ci-dessous).

Un certain nombre d’entreprises forent des puits exploratoires aux États-Unis, dont une start-up discrète appelée Koloma, soutenue par près de 100 millions de dollars de la firme de capital-risque de Bill Gates. “Il y a beaucoup de gens qui recherchent partout sur la planète”, déclare Eric Gaucher, consultant indépendant en France qui a quitté une grande société pétrolière et gazière pour se consacrer à l’hydrogène naturel. “L’un d’entre eux trouvera quelque chose de très grand et d’économiquement viable. J’en suis convaincu.”

Au cours de la dernière décennie environ, l’excitation autour de l’hydrogène géologique était principalement confinée à quelques vrais croyants de l’industrie. Puis, en 2022, les chercheurs de l’US Geological Survey ont révisé leurs estimations de la quantité de ce gaz qui pourrait se trouver sous terre, sur la base de ce que l’on comprenait peu sur la façon dont il se forme. Leur modèle suggérait qu’il pourrait y avoir des billions de tonnes disponibles, beaucoup plus que ce que l’on soupçonnait auparavant. Si seulement une fraction de cela pouvait être récupérée, cela serait suffisant pour répondre à notre demande projetée d’hydrogène pendant des siècles. Ces résultats ont suscité une large couverture médiatique. “C’est passé d’une nouveauté marginale à quelque chose qui retient l’attention de tout le monde”, déclare Avon McIntyre chez HyTerra, une entreprise australienne spécialisée dans l’hydrogène géologique.

Les promesses et les incertitudes de l’hydrogène géologique

L’intérêt pourrait être justifié. Gaucher déclare que même la satisfaction de 20 ou 30 % de nos besoins croissants en hydrogène grâce à de telles sources libérerait d’énormes quantités d’énergie propre qui seraient autrement utilisées pour produire de l’hydrogène vert. Il pourrait même s’agir d’une ressource renouvelable si elle se générait continuellement sous la surface.

Cependant, d’un autre côté, il y a des raisons de se montrer prudent quant à ce qui a été appelé la “fièvre de l’hydrogène doré”. La quantité réelle d’hydrogène que la planète contient, ainsi que la quantité qui pourrait être envisageable à extraire, reste incertaine. On ne sait pas non plus précisément comment l’hydrogène géologique est produit. Les chercheurs pensent qu’une partie au moins provient lentement de la croûte terrestre depuis le manteau en dessous, où il s’est accumulé lors de la formation de la Terre. Une partie pourrait être générée par des roches radioactives qui divisent l’eau en oxygène et en hydrogène. Il y a aussi le processus de serpentinisation, dans lequel les eaux souterraines réagissent avec des minéraux riches en fer dans la roche, tels que l’olivine, pour créer de l’oxyde de fer et du gaz d’hydrogène.

La plupart des chercheurs d’hydrogène géologique ont ce processus de serpentinisation dans leur ligne de mire. L’idée est que les endroits riches en roches riches en fer pourraient également générer beaucoup d’hydrogène, déclare Viacheslav Zgonnik, dont l’entreprise, Natural Hydrogen Energy, a foré un puits à la recherche du gaz dans le Nebraska l’année dernière. Les prospecteurs les plus astucieux recherchent une zone de roche riche en fer recouverte d’une couche imperméable, de sorte que le précieux carburant puisse être scellé à l’intérieur et s’accumuler sous terre.

D’autres entreprises à la recherche d’hydrogène dans le Midwest américain, dont Koloma et HyTerra, suivent cette logique. De même, Gaucher déclare que les gisements récemment identifiés dans les montagnes des Pyrénées, à cheval entre la France et l’Espagne, pourraient contenir des dizaines de millions de tonnes d’hydrogène en raison d’une protubérance de roche mantellique riche en fer située à une profondeur inhabituellement proche de la surface.

Au Sultanat d’Oman, cette géologie riche en fer est encore plus accessible grâce au passé tectonique unique de la région. Il y a un peu moins de 100 millions d’années, la plaque tectonique située sous la mer d’Arabie est entrée en collision avec une autre sous les terres. De tels événements conduisent généralement à l’enfoncement de la croûte dans le manteau, mais ici elle a été poussée vers le haut, un processus connu sous le nom d’obduction. Les montagnes du Hajar en sont le résultat. Elles sont la plus grande exposition de roches mantelliques de la planète, principalement composées de péridotite riche en fer que l’on ne peut s’empêcher de marcher dessus. Lors de ma visite, dans une vallée jonchée de blocs de ce matériau vert et strié de blanc, nous avons enlevé nos chaussures pour traverser un ruisseau coulant sur des rochers qui étaient autrefois à la frontière entre le manteau terrestre et la croûte.

Comment trouver de l’hydrogène naturel

Il peut y avoir un autre moyen d’identifier les zones propices à l’extraction de l’hydrogène. Une séance à la conférence de l’American Geophysical Union en décembre dernier a présenté des recherches sur l’utilisation de l’apprentissage automatique pour identifier des cercles de sol nu – parfois appelés cercles de fées – sur des images satellites. Joachim Moortgat de l’Université d’État de l’Ohio, qui a contribué à ces travaux, déclare que l’hydrogène a été mesuré dans le sol de plus de 50 de ces cercles, bien que la relation entre le gaz et ces formations mystérieuses reste peu claire.

Malgré l’excitation, cependant, l’hydrogène géologique aurait des lacunes en tant que carburant, en particulier en ce qui concerne le transport sur de longues distances. Pour commencer, le gaz est explosif. Et parce qu’il occupe de grands volumes, il doit être comprimé ou converti en autres produits chimiques, tels que l’ammoniac liquide, avant de pouvoir être facilement déplacé. Il pourrait être nécessaire de construire de nouveaux pipelines pour le transporter depuis des endroits éloignés vers des ports ou des villes.

Il serait utile de pouvoir éviter de compter sur des accumulations fortuites d’hydrogène et de stimuler plutôt le sol pour produire de manière fiable le gaz dans des zones plus pratiques. C’est ce sur quoi travaillent actuellement un certain nombre de chercheurs et d’entreprises. Le Département de l’Énergie des États-Unis (DoE) y participe également en allouant 20 millions de dollars à de tels efforts. L’idée est d’explorer des moyens d’accélérer le processus de serpentinisation et ainsi de faire apparaître de l’hydrogène du sol. “Nous pouvons considérablement étendre les régions à partir desquelles cette ressource sera disponible”, déclare Doug Wicks, directeur du programme du DoE.

Avec leur géologie bien comprise, leur roche péridotitique riche en fer et les preuves claires que l’hydrogène jaillit du sol, les montagnes du Hajar sont un endroit idéal pour tester l’idée. À la suite d’un atelier impliquant le DoE et le gouvernement omanais en novembre 2023, il est maintenant prévu de forer le premier puits d’hydrogène stimulé au monde ici plus tard cette année.

Alali, qui a joué un rôle central dans la coordination de ce travail, m’a montré l’un des quatre sites possibles pour le puits. Nous avons traversé les ruelles d’une petite ville appelée Hailain – c’est là que notre véhicule a failli rester coincé – et nous sommes sortis dans une vallée. Plusieurs des piscines bouillonnantes d’hydrogène étaient recouvertes d’une couche ressemblant à de la glace (voir photo ci-dessous). Il s’agissait en réalité d’un film minéral poudreux formé par des réactions entre le calcium lessivé de la péridotite et le dioxyde de carbone de l’air.

Alali m’a dit que le projet pilote de stimulation impliquera le forage d’au moins un puits à une profondeur de 400 à 600 mètres. Le taux de production d’hydrogène géologique sera mesuré et l’équipe essayera ensuite différentes méthodes pour stimuler la réaction de production d’hydrogène, notamment en injectant de l’eau et en chauffant la roche. L’ajout de catalyseurs chimiques est une autre option, mais ce n’est pas une option que les chercheurs prévoient de tester pour l’instant. “Il y a vraiment beaucoup de boutons à tourner”, déclare Alexis Templeton de l’Université du Colorado à Boulder, qui est la chercheuse principale du projet. Elle déclare que l’objectif est d’augmenter le taux de production d’hydrogène de 10 000 fois, le seuil à partir duquel il serait économiquement viable.

Peut-on stimuler la production d’hydrogène naturel ?

Pour aider à y parvenir, l’équipe essayera une nouvelle stratégie pour briser les roches profondément sous terre afin d’augmenter la surface exposée à l’eau injectée. La méthode, développée par Eden GeoPower, est semblable à la fracturation hydraulique pour le gaz naturel, mais avec de l’électricité au lieu de l’eau. L’envoi d’un courant à haute tension entre des électrodes abaissées dans le sol devrait chauffer les pores microscopiques de la roche, provoquant leur expansion en “un réseau de motifs fractals de foudre souterraine”, déclare Paul Cole, chef de l’ingénierie des sous-sols d’Eden GeoPower.

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles le projet pourrait ne pas fonctionner aussi bien qu’espéré. Les pores de la roche pourraient se boucher, piégeant l’hydrogène. L’apport d’énergie requis pourrait s’avérer irréalisablement élevé. De plus, Templeton déclare qu’il existe des communautés de bactéries vivant dans les roches d’Oman qui se nourrissent d’hydrogène. Personne ne sait comment elles réagiront lorsque la quantité d’hydrogène augmentera. Il est possible que leur nombre augmente, créant une foule de microbes qui consomment une grande partie du carburant avant qu’il ne puisse être collecté. Cela ne devrait pas poser de problème pour les projets de forage dans des puits plus profonds et plus chauds, mais dans le cas d’Oman, “les roches sont vivantes”, déclare Templeton.

Les chercheurs extérieurs déclarent que l’objectif d’augmenter le taux de production d’hydrogène dans de tels puits de 10 000 est réalisable, mais il n’y a aucune garantie de succès. “Il faudra une chimie astucieuse pour que cela fonctionne”, déclare Toti Larson de l’Université du Texas à Austin, qui n’est pas impliqué dans le projet.

Il existe également quelques risques environnementaux. Par exemple, on ne sait pas combien d’eau le projet nécessitera. Utiliser des quantités importantes dans un endroit aride comme Oman pourrait attirer l’attention, bien que Alali déclare que le plan consiste à utiliser de l’eau usée non potable ou de l’eau souterraine pour les tests. Nous devons également être attentifs au risque de petits séismes dus à l’injection d’eau, déclare Mengli Zhang à l’École des mines du Colorado, qui n’est pas non plus partie prenante du projet.

Si tout se passe bien, Oman, un pays connu pour son pétrole et son gaz, pourrait se retrouver à la pointe de l’hydrogène géologique. Les impacts pourraient même se propager bien au-delà de ses frontières et donner un sérieux coup de pouce à nos efforts pour alimenter la planète sans combustibles fossiles. “Il y a beaucoup de gens très intelligents qui travaillent sur cela maintenant”, déclare Wicks. “J’attends des idées audacieuses et potentiellement révolutionnaires sur la manière d’extraire l’hydrogène du sol.”

L’arc-en-ciel de l’hydrogène

L’hydrogène peut être un gaz incolore, mais ceux de l’industrie le considèrent comme venant dans plusieurs nuances en fonction de ses références environnementales.

  • Noir : Cet hydrogène est produit par dégazage du charbon. Le processus produit beaucoup de dioxyde de carbone et n’est plus courant.
  • Gris : Cette méthode commence par le gaz naturel et génère de l’hydrogène et du dioxyde de carbone, en en faisant un important producteur de gaz à effet de serre. C’est de loin la méthode la plus courante pour produire de l’hydrogène car elle est bon marché.
  • Bleu : Tout comme l’hydrogène gris, sauf que le dioxyde de carbone est capturé et stocké sous terre, ce qui signifie qu’il contribue moins au réchauffement climatique.
  • Turquoise : Une innovation relativement nouvelle, cette approche décompose le gaz naturel en hydrogène et en carbone solide, ce qui signifie qu’aucun dioxyde de carbone n’est émis. Cela pourrait être moins cher que l’hydrogène vert (voir ci-dessous), mais la technologie nécessite des développements.
  • Vert : L’hydrogène est fabriqué à partir d’eau grâce à un processus appelé électrolyse, qui utilise l’électricité d’origine renouvelable. Il est parfois appelé “hydrogène propre” car il ne produit aucune émission directe de gaz à effet de serre.
  • Violet : Une autre approche électrolytique, mais avec l’électricité produite à partir de l’énergie nucléaire. Cela pourrait être plus fiable que l’hydrogène vert, mais il nécessite une énergie nucléaire bon marché.
  • Or : L’hydrogène naturel, également connu sous le nom d’hydrogène géologique ou d’hydrogène blanc, est produit naturellement dans le sol, nécessitant seulement de l’énergie pour être extrait. C’est potentiellement l’hydrogène le plus propre, mais il est également le moins courant.
  • Arc-en-ciel : Un mélange d’hydrogène provenant de différentes sources, utilisé pour diverses applications en fonction de sa disponibilité et de son coût.

Conclusion

L’exploration de l’hydrogène géologique ou “hydrogène doré” offre des perspectives excitantes pour l’avenir de notre approvisionnement en énergie propre. Alors que nous cherchons des solutions pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles et lutter contre le changement climatique, cette nouvelle source d’hydrogène naturel pourrait jouer un rôle crucial dans notre transition vers une économie basée sur l’hydrogène.

Les découvertes récentes de réservoirs d’hydrogène géologique en France, en Espagne, en Australie et ailleurs dans le monde suscitent un optimisme quant à la disponibilité de cette ressource. Cependant, il reste encore de nombreuses questions à résoudre, notamment la quantité réelle d’hydrogène géologique disponible, les méthodes d’extraction efficaces et les considérations environnementales liées à cette nouvelle technologie.

Les efforts visant à stimuler la production d’hydrogène géologique à partir du sous-sol sont également prometteurs, mais présentent des défis techniques et environnementaux à surmonter. Le projet pilote prévu dans les montagnes du Hajar, à Oman, pourrait fournir des informations cruciales sur la faisabilité de cette approche.

En fin de compte, l’hydrogène géologique représente une opportunité passionnante pour notre avenir énergétique, mais il nécessite encore des recherches approfondies et une réglementation adéquate pour maximiser ses avantages tout en minimisant les risques potentiels. Avec des investissements et une collaboration internationale, nous pourrions être à l’aube d’une ère de production d’hydrogène plus propre et plus durable, contribuant ainsi à la lutte mondiale contre le changement climatique.

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