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L hydrogène naturel : une nouvelle source d énergie? Eric Deville

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Academic year: 2022

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L’hydrogène naturel : une nouvelle source d’énergie ? Eric Deville

L'hydrogène moléculaire (H2) qui est utilisé aujourd’hui est toujours manufacturé. Il est utilisé essentiellement pour les besoins du raffinage des produits pétroliers et la production d'ammoniac (en particulier pour les engrais) mais, de plus en plus, se pose la question d’utiliser l’H2 massivement comme vecteur énergétique. Le problème est, qu’à ce jour, l’H2 est produit à 95% à partir de ressources carbonées (essentiellement du méthane, parfois du pétrole ou du charbon). Cette production s’accompagne d’émissions de CO2 et l’énergie récupérable à partir de l’H2 produit est moindre que celle que l’on peut obtenir directement à partir des composés carbonés de départ : en bref, aujourd’hui, utiliser l’hydrogène comme énergie rejette plus de CO2 et coûte plus cher que d’utiliser directement des produits carbonés. Toutefois, l’intérêt d’utiliser l’H2 dans le transport est de pouvoir agir sur la qualité de l’air, notamment dans les grandes villes où l’on commence à voir apparaitre des taxis ou des bus à hydrogène fonctionnant avec des piles à combustibles ne rejetant que de la vapeur d’eau. Egalement, l'utilisation d’hydrogène produit par électrolyse de l'eau, notamment pour compenser la production fatale d’électricité liée à l'intermittence du solaire ou de l'éolien, est un autre moyen de produire de l’H2 sans émission de CO2. Dans tous les cas, l'hydrogène utilisé aujourd’hui n’est pas une ressource énergétique comme le sont les énergies fossiles mais résulte de la transformation d'une autre ressource.

Or, de plus en plus d'indices conduisent à se demander si une exploitation de l'hydrogène présent dans la nature est également possible. En effet, les travaux menés depuis quelques années à l’IFPEN, sont à l’origine d’un changement de paradigme sur l’hydrogène natif : sa présence était jusqu’alors considérée comme très locale, anecdotique en terme de quantité et limitée à des milieux particuliers. Progressivement, on s’aperçoit que la présence de ce gaz dans les milieux naturels s’avère être finalement assez fréquente et parfois en quantités qui sont loin d’être négligeables. En effet, des émanations naturelles d'hydrogène sont connues de longue date. Ainsi, un phare du Lac Erie (le phare de Barcelona) a fonctionné dès 1830 en utilisant de l’hydrogène naturel. Le forage scientifique de Kola SG3 en Russie, le plus profond réalisé à ce jour dans la croûte continentale (12 262 m), a également produit des flux significatifs d’hydrogène (Ikorsky, 1999). De l’H2 se rencontre aussi dans certaines mines d’or, notamment au Canada, ou de diamant comme en Afrique du Sud. De l’H2 a été rencontré de manière assez fréquente dans les gaz volcaniques (Etna, Islande, volcans de l’ouest des USA, …). Certains champs de gaz où les hydrocarbures sont dominants contiennent également en partie de l’H2. C’était notamment le cas du petit champ de gaz de Vaulx en Bugey, en France, découvert en 1905 qui contenait 6% d’H2. Des émanations ont également été découvertes dès les années 1970 (Welhan & Craig, 1979), au fond des océans, le long des dorsales médio-océaniques (« fumeurs noirs » ou « fumeurs blancs »). Dans ces environnements marins profonds, l'existence d'un système volcanique induit une circulation hydrothermale mettant en contact de l'eau de mer avec les roches très réduites provenant du manteau terrestre, les péridotites. Néanmoins, ces « fumeurs » présentent l'inconvénient d'être situés par très grands fonds et très loin des côtes, au beau milieu des océans. Leur exploitation n'est donc clairement pas économique à ce jour. Pour cette raison, d’autres environnements géologiques ont été étudiés : S’il n’est pas envisageable d’aller exploiter ces flux d’H2 au fond des océans pourquoi ne pas chercher à les produire aux endroits où la tectonique des plaques a apporté les océans sur les continents, ce que l’on appelle les massifs ophiolitiques.

Etudiées notamment par l’IFPEN, les ophiolites d’Oman, de Nouvelle-Calédonie, des

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Philippines et de Turquie et d’Italie du Nord émettent bien des flux d’H2 naturel (voir notamment Deville et Prinzhofer, 2016 ; Vacquand et al., 2018). Des travaux sont actuellement en cours en Nouvelle Calédonie, en collaboration avec ENGIE et la DIMENC (Direction de l’Industrie, des Mines et de l’Energie de Nouvelle-Calédonie). L’ensemble des travaux réalisés sur les ophiolites a permis de réaliser une étude comparative des émanations naturelles des gaz réduits s’échappant des roches ultrabasiques et basiques affleurant dans les complexes ophiolitiques. Ces travaux s’appuient sur des analyses de la composition chimique en gaz, des teneurs en gaz rares, des isotopes stables du carbone, de l'hydrogène et de l'azote.

Ces émanations sont principalement constituées de mélanges de trois composants principaux, à savoir H2, CH4 et N2 dans diverses proportions. Les teneurs relatives de ces trois composants gazeux révèlent différents types de mélanges de gaz. Ces types sont interprétés comme reflétant différentes zones de génération de gaz à l'intérieur ou au-dessous des complexes ophiolitiques (certaines relativement superficielles, d’autres plus profondes). Les gaz contenant de l’H2 sont soit associés à des eaux à pH élevé (10-12), soit sortent directement dans les systèmes de fracture des roches ophiolitiques.

En ce qui concerne l’origine du gaz, les roches ultrabasiques fournissent un environnement favorable à la génération d’H2 avec la présence de FeII dans les minéraux. En effet, l’altération, par les eaux profondes, des minéraux riches en fer présents dans ces roches, notamment l’olivine, le minéral le plus commun du manteau terrestre, crée une réaction chimique où le fer s’oxyde en réduisant l’eau et génère ainsi de l’hydrogène, comme pour le cas des dorsales océaniques. L’olivine est une solution solide avec un pôle magnésien et un pôle ferreux. Ce dernier, ce que l’on appelle la fayalite, en s’hydratant produit de l’H2, typiquement selon la réaction suivante,

Un exemple visuel où l’altération des péridotites du manteau terrestre présentes dans les ophiolites d’Oman sont altérées par des fluides circulant dans les fractures ce qui induit la formation d’agrégats de magnétite. Ce processus s’accompagne de la formation d’H2.

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D’autres minéraux riches en FeII ( pyroxènes, certaines serpentines, …) sont aussi générateurs d’H2 lors de l’altération des roches ophiolitiques.

Un exemple de bullage d’hydrogène en Nouvelle-Calédonie (Baie du Carénage, région de Prony).

Le CH4 associé est produit soit directement par réaction du CO2 dissous (quelle que soit l’origine du CO2, organique ou inorganique) avec des roches basiques-ultrabasiques au cours du processus de serpentinisation, soit dans un deuxième temps par interaction H2-CO2, selon la réaction de Sabatier (4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O). Cette dernière peut se faire à haute température par un processus purement chimique (génération de gaz hydrocarbure à partir de CO2 s’avoisinant au processus Fisher-Tropsch) ou elle peut être favorisée à plus faible température par des microorganismes (méthanogènes). L’H2 est préservé lorsqu'il n'y a plus de carbone dans le système pour générer du CH4. En effet, la caractéristique des eaux associées à l’H2 dans les ophiolites est l’absence totale de carbone. L’azote provient selon les cas, soit de l’atmosphère, soit de roches sédimentaires situées en profondeur sous les unités ophiolitiques. La présence d’azote est clairement corrélée avec la présence d’eau. L’azote a toujours été rencontré sous la forme de bullages dans des sources. Aux endroits où le gaz sort directement dans des fractures, sans eau, il n’y a que très peu d’azote dans le gaz. Les gaz les plus riches en N2 sont notamment associés à des teneurs relativement élevées en 4He qui est un produit radiogénique de la croûte continentale.

Par ailleurs, d’autres émanations d’hydrogène se rencontrent dans un contexte géologique très différent des ophiolites, au cœur des continents, et notamment dans les parties les plus anciennes : les cratons précambriens, qui constituent des objets de premier intérêt en termes prospectifs, du fait de leur importance à la surface des continents (plus de la moitié des continents) et du nombre d’émanations déjà identifiées. Les travaux d’IFPEN, en collaboration avec des collègues russes et américains, ont ainsi permis de révéler des flux

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d’H2 au sein de dépressions circulaires dans l’ouest de la Russie (Larin et al., 2015), dans les Carolina Bays à l’est des Etats-Unis (Zgonnik et al., 2015), et dans les plaines du Kansas (Guélard et al., 2016). Des émanations similaires ont récemment été mises en évidence au Brésil où un monitoring des flux de gaz a pu être effectué (Prinzhofer et al., 2019). Ces structures sont actuellement étudiées dans le cadre du projet sen4H2 (projet ESA-Terradue- IFPEN), qui vise à détecter et mieux caractériser les émanations naturelles d’H2 à la surface du globe en utilisant des images satellites.

Un exemple de structure circulaire émettant de l’H2 vu de l’espace

Dans le cadre de la thèse IFPEN de Julia Guélard (2016), où il a été possible de travailler sur du matériel de forage (gaz, eau et carottes), il a été montré que l’origine de l’H2 des socles continentaux anciens est très probablement à relier, ici encore, avec l’altération de minéraux riches en FeII et notamment, de nouveau, les olivines qui sont, dans ce cas, particulièrement

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riches en fer (fayalite 90%). La réaction de génération de l’hydrogène est ainsi similaire au cas des ophiolites (oxydation du fer, réduction de l’eau),

D’autres minéraux riches en FeII, (divers phyllosilicates, grenats, …) abondants dans les socles continentaux anciens, sont aussi potentiellement susceptibles de générer de l’H2 en s’altérant. Des travaux expérimentaux en collaboration avec TOTAL et l’Institut de Physique du Globe de Paris sont en cours (post-doc de J. Guélard) pour mieux comprendre les réactions génératrices d’H2 dans les socles continentaux anciens. Il reste encore de nombreux travaux à effectuer avant de mieux comprendre quelles sont les roches mères de l’H2.

Un exemple de cartographie MEB réalisée sur des roches du socle ancien (précambrien) recueilli en carotte de forage que nous avons pu échantillonner au Kansas Geological Survey (forage DR1A / 453 m). On observe de la fayalite fraiche partiellement altérée en un phyllosilicate de fer oxydé. Ce processus s’accompagne de la génération d’H2.

Enfin, encore dans un contexte de craton ancien, au Mali, de l’H2 a été découvert en forage et les analyses effectuées à l’IFPEN ont permis de confirmer les teneurs (98% d’H2 et 2% de CH4) et de préciser l’origine du gaz à l’aide d’analyses des gaz rares (Thèse IFPEN Julia Guélard, 2016). De l’H2 a depuis été découvert dans plusieurs dizaines de forages réalisés par la société Petroma à des profondeurs très faibles (les forages ont découvert de l’H2 dès une centaine de mètres de profondeur). Il s’agit donc de forages peu couteux. La production du gaz montre des flux réguliers et des pressions qui restent constantes ce qui suggère qu’une production d’H2 sur le long terme est possible (De Brière, 2017; Prinzhofer et al., 2018).

Aujourd’hui, cet H2 est utilisé pour produire de l’électricité à des coûts très modiques.

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Il a aussi été montré que l’H2 des socles continentaux anciens est communément associé à des teneurs relativement importantes en hélium (2% sur les forages du Kansas par exemple), un gaz dont l’intérêt économique ne fait que croître, en particulier avec les besoins concernant la plupart des appareils électroniques modernes. Une production couplée H2-He permettrait donc de contribuer à la viabilité du projet.

Ainsi, la présence de flux d'H2 dans le milieu naturel n'est pas une anomalie ou une curiosité, mais au contraire quelque chose d'assez fréquent. Plus qu'un simple vecteur d'énergie, l'hydrogène pourrait donc bien constituer une nouvelle ressource d’énergie primaire. Le réel potentiel reste encore à préciser. De nombreuses questions sont encore à traiter pour comprendre où et comment l’hydrogène se forme, comment il migre dans le sous-sol, comment il peut se préserver et s’accumuler. Des efforts de recherche importants seront nécessaires pour lever les incertitudes actuelles, techniques comme économiques. De nouveaux tests sur des forages pilotes s'avèrent indispensables car l’estimation d’une ressource en gaz ne peut pas se faire à partir d’études de surface. Celles-ci permettent de révéler l’existence de fluides en profondeur mais pas de quantifier la ressource. A l’image de l’histoire de la production des hydrocarbures, le chemin est probablement encore long avant d'envisager une éventuelle production industrielle de grande ampleur de l'H2 naturel. Si la faisabilité de l’exploitation d’hydrogène naturel se confirme, l’enjeu vaudra bien les efforts réalisés. Ce n’est pas tous les jours que l’on peut mettre en évidence une nouvelle source d’énergie.

POUR ALLER PLUS LOIN

PROFESSIONAL PUBLICATIONS

DEVILLE E., PRINZHOFER A. (2015). L'hydrogène naturel: Une source potentielle d'énergie propre et renouvelable? Géologues. n° 185, p.

105-110.

POPULAR SCIENCE

PRINZHOFER A., DEVILLE E., (2015). Hydrogène naturel: La prochaine révolution énergétique? Editions Belin. Collection Essais, ISBN 9782701183848, 198 pages.

PRINZHOFER A., DEVILLE E. (2015). De l’hydrogène sous nos pieds. Pour la Science. n° 456, p. 2-9.

SCIENTIFIC PUBLICATIONS

VACQUAND C., DEVILLE É., BEAUMONT V., GUYOT F., PILLOT D., SISSMANN O., ARCILLA C., PRINZHOFER A. (2018).

Reduced gas seepages in ophiolitic complexes: Evidences for multiple origins of the H2-CH4-N2 gas mixtures. Geochimica et Cosmochimica Acta 223,437-461, doi.org/10.1016/j.gca.2017.12.018.

GUÉLARD J., BEAUMONT V., GUYOT F., PILLOT D., JEZEQUEL D., ADER M., NEWELL K. D., DEVILLE E. (2017). Natural H2 in Kansas: deep or shallow origin? G3 Geochemistry, Geophysics and Geosystems, 18, doi: 10.1002/2016GC006544.

BACHAUD P., MEILLER C., BROSSE E., DURAND I., BEAUMONT V. (2017). Modeling of hydrogen genesis in ophiolite massif.

Procedia EPS 17, 265-268.

DEVILLE E., PRINZHOFER A. (2016). The origin of N2/H2/CH4-rich natural gas seepages in ophiolitic context: A major and noble gases study of fluid seepages in New Caledonia. Chemical Geology 440, p. 139-147.

ZGONNIK V., BEAUMONTV., DEVILLEE., LARINN., PILLOTD., FARRELLK. (2015). Evidences for natural hydrogen seepages associated with rounded subsident structures: the Carolina bays (Northern Carolina, USA), Progress in Earth and Planetary Science 2:31.

doi: 10.1186/s40645-015-0062-5.

(7)

LARIN N., ZGONNIK V., RODINA S., DEVILLE É., PRINZHOFER A., LARIN V.N. (2015). Natural molecular hydrogen seepages associated with surficial, rounded depression on the European craton in Russia. Natural Resources Research, v. 24, n° 3, p. 363-383. doi:

10.1007/s11053-014-9257-5.

ZGONNIK V., BEAUMONTV., DEVILLEE., LARINN., PILLOTD. (2019). Diffusive flow of molecular hydrogen through the Western Hajar mountains, Northern Oman. Arabian Journal of Earth Sciences (in press).

BRIERE D., JERZYKIEWICZ T., SILWINSKY W. (2017). On generating a geological model for hydrogen gas in the southern Taoudeni Megabasin (Bourakebougou area, Mali). Search and Discovery Article #42041. doi.org/10.1190/ice2016-6312821.1

Coveney, R.M., Goebel, E.D.,Zeller, E.J.,Dreschoff, G.A.M., Angino, E.E., 1987. Serpentinization and the origin of hydrogen gas in Kansas.

AAPG Bull. 71, 39-48.

Larin,N.,Zgonnik,V.,Rodina,S.,Deville,É.,Prinzhofer,A.,Larin,V.N. 2014.Natural Molecular Hydrogen Seepage Associated with Surficial, Rounded Depressions on the European Craton in Russia. Natural Resources Research. DOI:10.1007/s11053-014-9257-5.

Neal, C., Stanger, G., 1983. Hydrogen generation from mantle source rocks in Oman. Earth Planet. Sci. Lett. 66, 315-320.

Newell, K.D.,Doveton, J. H. , Merriam,D.F., Sherwood Lollar,B., Waggoner,W.M., Magnuson, L.M., 2007. H2-rich and hydrocarbon gas recovered in a deep Precambrian well in northeastern Kansas. Natural Resources Research 16, 3, 277-292.

Prinzhofer, A., Deville, É., 2015. L’hydrogène naturel ou la prochaine révolution énergétique ? Editions Belin. Collection: Essais, ISBN 978- 2-7011-8384-8, 199 p.

Vacquand C., 2011. Genèse et mobilité de l’hydrogène naturel: source d’énergie ou vecteur d’énergie stockable ? Thèse IFPEN-IPGP, 174 p.

Welhan, J. A., H. Craig, 1979. Methane and hydrogen in East Pacific Rise hydrothermal fluids,Geophys.Res. Lett., 6 (11),829-831.

Fayalite + eau → Magnetite + silice + hydrogène

2 2

4 3 2

4

2 2 2 3 2

3Fe SiO + H OFe O + SiO + H

Références

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