Il y a quelques semaines, un article passionnant, publié par la prestigieuse revue Science, est venu faire le point sur les dernières découvertes concernant l’hydrogène naturel présent dans le sous-sol de notre planète. L’article commence par raconter comment Aliou Dialo, fondateur de la société Hydroma, a recruté des ingénieurs de Chapman Petroleum pour déterminer en 2012 ce qui sortait du forage du village de Bourakébougou, au Mali, Ceux-ci ont alors découvert que le gaz qui sort de ce puits est composé à 98 % d'hydrogène. La découverte malienne était une preuve éclatante de ce qu'un petit groupe de scientifiques, étudiant des indices de suintements, de mines et de puits abandonnés, avait dit pendant des années : contrairement au consensus scientifique général qui régnait jusque-là, de grandes réserves d'hydrogène naturel semblaient exister partout dans le monde, comme pour le pétrole et le gaz, mais pas aux mêmes endroits, ni aux mêmes conditions de récupération.
Ces chercheurs affirment que les réactions eau-roche au plus profond de la Terre génèrent en permanence de l'hydrogène, qui s'infiltre à travers la croûte terrestre et s'accumule parfois dans des pièges souterrains. Il pourrait y avoir suffisamment d'hydrogène naturel pour répondre à la demande mondiale croissante pendant des milliers d'années, selon un modèle de l'US Geological Survey (USGS) qui a été présenté en octobre 2022 (Voir article).
Depuis 2018, le nombre d'articles sur l'hydrogène naturel a explosé. « C'est absolument incroyable et vraiment exponentiel », déclare le géologue Alain Prinzhofer, auteur principal de l'article sur le constat dans le Mali et directeur scientifique de GEO4U, une société de services pétroliers et gaziers, basée au Brésil, qui est pionnière dans la recherche d’hydrogène naturel.
Au Mali, la société Hydroma a acquis les droits du champ de Bourakébougou il y a plus de 15 ans mais les travaux d’exploration et d’exploitation ont été sans cesse ralentis par la situation militaire et politique instable de cette région. Néanmoins, Hydroma ne se décourage pas et affirme qu’elle est sur le point de pomper de l'hydrogène naturel “blanc”, présent en quantité dans ce sous-sol. Cette société fait le pari que ce gisement énorme de Bourakébougou pourrait devenir une véritable “station-service” pour les piles à combustible qui pourraient aider à électrifier le Mali, un pays où la moitié de la population n'a toujours pas accès à l'électricité. Il est vrai que ce champ de Bourakébougou contiendrait au moins 60 milliards de mètres cubes d'hydrogène, soit environ 5 millions de tonnes, piégés dans d'anciennes roches volcaniques.
Aliou Dialo, l’infatigable et visionnaire fondateur d’Hydroma, voit plus loin et veut exploiter ce potentiel de l’hydrogène naturel pour développer les bus, les camions et même les trains à hydrogène. Hydroma a créé des filiales au Sénégal, en Mauritanie, au Niger et en Guinée-Bissau, et Diallo voit dans l'hydrogène le moteur de la prospérité dans une région qui compte 400 millions d'habitants. « A nous d’exploiter ce Big Green Deal ouest-africain. Nous avons prouvé qu'au-delà de la curiosité géologique, l'hydrogène est une véritable ressource naturelle sur laquelle il faudra compter à l'avenir », dit-il. En outre, selon les géologues, la Terre produit de l'hydrogène naturel beaucoup plus rapidement que le pétrole et il pourrait être possible d'exploiter le champ de Bourakébougou et d'autres comme lui pendant plusieurs décennies sans les épuiser.
Pour l’instant, cette petite molécule ne sert que de vecteur énergétique. En clair : pour être utilisée comme matière première ou comme source d’énergie, elle doit d’abord être produite par vaporeformage ou électrolyse, en consommant de grande quantité d’électricité ou d’énergies fossiles. L’hydrogène dit natif est fabriqué naturellement par la planète dans certains contextes géologiques bien particuliers. « Il n’utilise donc ni eau ni énergie anthropique, ce qui permet d’atteindre des coûts de production très compétitifs », souligne Nicolas Pelissier, président depuis 2017 de la start-up 45-8 (Moselle), dont l’ambition est de développer des puits européens d’hélium et d’hydrogène. Selon lui, l’hydrogène natif permettrait d’atteindre à terme des prix inférieurs à 50 centimes d'euro par kilo.
En France, l’hydrogène naturel est reconnu comme une matière première, et donc légalement exploitable, depuis début 2022. Pionnière sur le sujet, la start-up 45-8 Energy a déposé des permis de recherches de gisement d’hélium (un gaz cher qui sera coexploité avec l’hydrogène) dans le Doubs et dans la Nièvre. Une autre société, TBH2 Aquitaine, a déposé la première demande de recherche pour l’hydrogène en se concentrant sur les Pyrénées-Atlantiques. « On trouve en bibliographie une trentaine de processus de production d’hydrogène natif, dont certains semblent plus prometteurs que d’autres », explique la géologue au Bureau des ressources géologiques et minières (BRGM) Anne-Gaëlle Bader.
L'année dernière, l'American Association of Petroleum Geologists a constitué son premier comité sur l'hydrogène naturel et l'USGS a lancé son premier plan de recherche pour identifier les zones de production d'hydrogène prometteuses aux États-Unis. « Nous n'en sommes qu'au tout début, mais cela ira vite », déclare Viacheslav Zgonnik, PDG de Natural Hydrogen Energy. En 2019, la startup a achevé le premier forage d'hydrogène aux États-Unis, dans le Nebraska.
L'engouement pour l'hydrogène naturel survient alors que l'intérêt pour l'hydrogène en tant que carburant propre et sans carbone ne cesse de croître. Il est vrai que cet hydrogène naturel peut être non seulement propre, mais également renouvelable. Il faut des millions d'années pour que les dépôts organiques enfouis et comprimés se transforment en pétrole et en gaz. En revanche, l'hydrogène naturel semble produit en permanence, sous l’effet de différents processus physico-chimiques, par exemple, lorsque l'eau souterraine réagit avec les minéraux de fer à des températures et des pressions élevées. « Au cours de la décennie qui s'est écoulée depuis que les forages ont commencé à exploiter l'hydrogène au Mali, les flux n'ont pas diminué », déclare le géologue Prinzhofer, qui ajoute, « L'hydrogène apparaît, presque partout, comme une source d'énergie renouvelable et non fossile ».
Même s’il n’émet pas de carbone lors de sa combustion, l'hydrogène n’est pas sans défauts en tant que source d'énergie. Un kilogramme d'hydrogène contient, certes, autant d'énergie qu'un gallon d'essence (un peu moins de 4 litres). Mais à pression ambiante, ce même kilogramme d'hydrogène occupe plus d'espace que le tambour d'un camion malaxeur à béton typique. Les réservoirs sous haute pression peuvent en partie aider à surmonter ce problème, mais ils augmentent le poids et les coûts des véhicules. En outre, pour liquéfier l'hydrogène, il faut le refroidir à -253°C, ce qui entraîne un surcoût important.
Ces problèmes de stockage, ainsi que le manque de réseaux sécurisés de distribution, sont les principales raisons pour lesquelles, dans la course à l'électrification des voitures, les batteries ont, pour l’instant, pris le pas sur les piles à combustible, un dispositif chimique, dont la découverte remonte à 1839, qui permet de convertir l'hydrogène en électricité. De même, pour le chauffage domestique, la plupart des experts pensent que les pompes à chaleur électriques sont, dans l’état actuel de la technique, plus rentables et plus efficaces que les piles à hydrogène domestique.
Pourtant, « jusqu'à la moitié de la demande énergétique mondiale projetée restera difficile à décarboner en passant à l'électricité », déclare Dharik Mallapragada, chercheur en systèmes énergétiques au Massachusetts Institute of Technology. C'est là que, selon lui, l'hydrogène entre en jeu. Ce gaz pourrait en effet remplacer les hydrocarbures dans les véhicules lourds qui sont mal adaptés aux batteries : camions, navires, bus et, à plus long terme, avions. Les industries très énergivores, comme celles qui produisent du béton et de l’acier sont un autre marché potentiel immense pour l’hydrogène.
Mais pour être respectueux du climat, l'hydrogène doit être produit à partir d’énergies décarbonées. Or, l'hydrogène d'aujourd'hui est "gris" ; il est principalement fabriqué en faisant réagir du méthane avec de la vapeur à haute pression. Ces processus émettent quelque 900 millions de tonnes de dioxyde de carbone chaque année, presque autant que l'aviation mondiale. En septembre 2022, le Département américain de l'énergie (DOE) a annoncé qu'il dépenserait 7 milliards de dollars pour au moins une demi-douzaine de "hubs" hydrogène : des sites de production d'hydrogène vert ou bleu. Et en mai 2022, l'Union européenne s’est fixé l’objectif de 20 millions de tonnes par an d’hydrogène vert d'ici 2030.
Mais l'hydrogène vert coûte environ 5 dollars le kilogramme, soit plus du double de l'hydrogène gris, qui a tendance à suivre le prix du gaz naturel. La production massive d'hydrogène vert nécessiterait également une énorme augmentation de la production d'électricité renouvelable. Atteindre l'objectif de l'UE, par exemple, nécessiterait environ 1000 térawattheures de nouvelles installations solaires et éoliennes, soit près des capacités renouvelables actuelles de l'Europe.
Le pompage de l'hydrogène hors du sol devrait être beaucoup moins cher. Ian Munro, PDG d'Helios Aragon, une startup à la recherche d'hydrogène dans les contreforts des Pyrénées espagnoles, affirme que les coûts d'exploitation de cet hydrogène blanc pourraient se situer entre 50 et 70 cents du litre. On sait à présent qu’à des températures élevées, l'eau réagit avec les roches riches en fer pour produire de l'hydrogène par des réactions rapides appelées serpentinisation. À des niveaux plus profonds, l'hydrogène réagit avec les roches et les gaz pour former de l'eau, du méthane et des composés minéraux. L’hydrogène pourrait donc, en théorie, être exploité comme le pétrole et le gaz, en forant dans des réservoirs piégés dans des roches poreuses sous des gisements de sel ou d'autres couches rocheuses imperméables. Il serait également possible d'exploiter directement les roches mères riches en fer, si elles sont peu profondes et suffisamment fracturées pour permettre la collecte de l'hydrogène. La production d'hydrogène pourrait être stimulée en pompant de l'eau dans des roches riches en fer.
Des centaines d’émanations naturelles d'hydrogène ont maintenant été documentés dans le monde et ces fuites d'hydrogène pourraient expliquer de mystérieuses dépressions souvent appelées "cercles de fées". Certains mesurent plus d'un kilomètre de large mais la plupart de ces suintements d'hydrogène sont trop faibles pour être commercialement exploitables. Les scientifiques en sont arrivés à la conclusion que cette production naturelle d'hydrogène résulte d’un ensemble de réactions à haute température entre l'eau et des minéraux riches en fer comme l'olivine, qui dominent le manteau terrestre. Dans ce processus de serpentinisation, le fer s'oxyde en libérant de l'hydrogène.
Selon une étude réalisée par Sherwood Lollar et ses collègues, le processus de serpentinisation pourrait produire jusqu'à 80 % de l'hydrogène terrestre. Un second mécanisme, la radiolyse, pourrait générer le reste. Pour Prinzhofer, la question de savoir d'où vient l'hydrogène naturel est académique. « L'industrie pétrolière a vu le jour bien avant de comprendre les origines du pétrole », dit-il. « Ce qui compte pour l'industrie de l'hydrogène naturel, c'est simplement de savoir s'il y a suffisamment de matière à exploiter » ajoute-t-il.
Selon l’Union Américaine Géologique et Minière, même en étant prudent et en considérant que seulement 10 % de l'hydrogène naturel pourrait être exploité de manière rentable, le stock total d’hydrogène blanc récupérable serait d’au moins 1000 milliards de tonnes, de quoi satisfaire la demande mondiale pendant au moins mille ans.
En Australie, l’entrepreneur Luke Titus, co-fondateur d'une société appelée Gold Hydrogen, a retrouvé des rapports concernant un forage réalisé en 1921 sur Kangaroo Island, qui avait produit jusqu'à 80 % d'hydrogène. En février 2021, lorsque l'Australie-Méridionale a élargi sa réglementation pétrolière pour autoriser le forage à l'hydrogène, Titus a présenté une demande pour explorer près de 8 000 kilomètres carrés sur la péninsule de Yorke et l'île Kangourou.
En Espagne, Munro attend la réglementation pour rattraper son retard. Et comme Titus, Munro pense qu'il existe un site idéal pour l'hydrogène. Il se situerait au cœur des Pyrénées, là où se trouvent des roches marines riches en fer, comprimées et soulevées lorsque la plaque ibérique a fermé un océan et a percuté la France il y a environ 65 millions d'années. Munro prévoit de forer un puits d'exploration fin 2024. « Nous pensons que nous serons le premier puits d'hydrogène naturel d'Europe », dit-il.
Aux Etats-Unis, les perspectives d’exploitation de l’hydrogène blanc s’avèrent également prometteuses. Les dernières études géologiques montrent que cet immense pays est probablement assis sur deux veines riches. L'une se trouve à environ 10 à 20 kilomètres au large de la côte est, où des roches du manteau riches en fer se trouvent à environ 10 kilomètres sous le fond marin. L’autre veine se trouve dans le Midwest, où une faille volcanique a amené, il y a un milliard d’années, des roches du manteau riches en fer près de la surface dans une bande allant du Minnesota au Kansas. En 2019, Natural Hydrogen Energy a achevé son puits de 3,4 kilomètres de profondeur au milieu d'un "cercle de fées" dans le Nebraska. Bien que cette société ne communique pas sur les quantités d'hydrogène produites, les experts observent que, depuis trois ans, le gaz sortant de ce puits brûle avec une flamme claire, un signe que l'hydrogène est prédominant.
La première cible des explorateurs d'hydrogène naturel devrait être les accumulations peu profondes qui se trouvent sous des couvertures imperméables à moins d'un kilomètre ou deux de la surface. Mais si les roches mères elles-mêmes sont à portée de main, l'hydrogène pourrait alors en être extrait directement, comme l'huile de schiste fracturé ; de l'eau pourrait même être injectée dans la roche riche en fer pour stimuler la production. Tout en récupérant de l'hydrogène, le puits pourrait également puiser l'énergie géothermique dans l'eau chauffée qui retourne à la surface.
On le voit, la perspective d’une exploitation massive, durable et rentable de l’hydrogène naturel contenu dans les entrailles de la Terre devient de plus en plus réaliste et les mois qui viennent devraient être décisifs dans ce domaine.
Mais, avant de conclure cet éditorial, je voudrais dire aussi quelques mots concernant deux récentes avancées technologiques remarquables, qui pourraient permettre d’extraire beaucoup plus facilement, et à faible coût, de l’hydrogène à partir d’eau de mer, une perspective susceptible, elle aussi, de bouleverser le paysage énergétique mondial. Des chercheurs chinois, issus de la Nanjing Tech University, ont récemment mis au point un électrolyseur permettant de produire de l’hydrogène directement à partir d’eau de mer, et ce, sans apport d’énergie complémentaire (Voir Nature).
Pour parvenir à ce résultat, ces scientifiques ont utilisé des électrodes trempées dans une solution électrolytique concentrée d'hydroxyde de potassium et une membrane poreuse riche en fluor bloque l'eau liquide mais laisse passer la vapeur d'eau, ce qui permet de réaliser directement, sans dessalement préalable, l’électrolyse de l’eau et donc la production d’hydrogène.
Cette équipe a fabriqué un appareil de démonstration contenant 11 cellules d'électrolyse. Testé avec de l'eau de mer de la baie de Shenzhen, ce système a fonctionné comme prévu sans panne pendant plus de 130 jours, produisant 386 litres d'hydrogène par heure. Les chercheurs affirment que leur dispositif, en plus de produire de l'hydrogène, sera également capable de récupérer le lithium de l'eau de mer (métal rare utilisé dans les batteries et les semi-composants), (Voir RMIT).
Enfin, il y a quelques jours, des chercheurs de l’Institut royal de technologie de Melbourne ont mis au point un moyen, peu coûteux et plus économe en énergie, de fabriquer de l'hydrogène directement à partir de l'eau de mer. La nouvelle méthode des chercheurs de l'Université RMIT sépare l'eau de mer directement, grâce à un nouveau type de catalyseur, en hydrogène et en oxygène, évitant ainsi la contrainte du dessalement, avec son coût, sa consommation d'énergie et ses émissions de carbone (Voir Wiley). L’étude affirme que cette nouvelle technologie permettait de réduire considérablement le coût des électrolyseurs et d’atteindre l'objectif du gouvernement australien de produire de l'hydrogène vert pour 2 $/kilogramme, afin de le rendre compétitif par rapport à l'hydrogène provenant de combustibles fossiles.
Toutes ces récentes découvertes et avancées scientifiques dessinent donc deux perspectives qui pourraient bien profondément bouleverser la transition énergétique en cours vers la sortie des énergies fossiles. La première, nous l’avons vu, concerne la possibilité d’exploiter plus rapidement que prévu, de manière massive, les grandes quantités d’hydrogène naturel que produit et recèle notre planète ; la seconde, complémentaire de la première, concerne la possibilité d’extraire de l’hydrogène directement à partir de l’eau de mer, de manière rentable et écologique. La France, qui possède toutes les compétences requises, doit évidemment se positionner de manière à maîtriser ces deux ruptures technologiques et industrielles majeures, qu’elle doit intégrer pour accélérer la décarbonation nécessaire de son économie et apporter ainsi sa contribution décisive à la lutte mondiale contre le réchauffement climatique.
René TRÉGOUËT
Sénateur honoraire
Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat
e-mail : tregouet@gmail.com
