Tendances de L´Hydrogène en tant que ressource énergétique

ODD 7 : Garantir l’accès à une énergie abordable, sûre, durable et moderne

Arturo Peñas Jiménez

Ingeniero de Minas

Seglar Claretiano

Les différentes sources de production d’hydrogène ont été codées par couleur. L’hydrogène dit « vert », qui est l’hydrogène le plus propre, est produit par électrolyse de l’eau alimentée par des énergies renouvelables. Cette méthode idéale étant coûteuse, la majeure partie de l’hydrogène produit dans le monde l’est par un procédé moins onéreux appelé reformage à la vapeur, qui utilise le gaz naturel comme matière première et génère du CO2 à partir de la réaction du méthane avec l’eau. Il s’agit d’hydrogène « gris », qui ne contribue pas à l’atténuation du changement climatique car sa production nécessite toujours des combustibles fossiles. Toutefois, l’hydrogène « gris » peut être transformé en hydrogène « bleu » lorsque le CO2 généré est capturé par des technologies de stockage du carbone (CCUS). En fait, l’hydrogène « bleu », extrait du gaz naturel, est le plus courant. Actuellement, seulement 2 % de l’hydrogène mondial est « vert », mais seulement 0,1 % provient de l’électrolyse de l’eau.

Récemment, des publications parues dans la revue « Science » nous parlent d’un hydrogène « doré » qui entraînerait des émissions négatives et nettoierait l’atmosphère. Des chercheurs de l’Institut de technologie chimique du CSIC et de l’Université polytechnique de Valence ont annoncé au printemps 2022 qu’ils avaient créé un générateur d’hydrogène « doré ». Basé sur la céramique de protons, il est évolutif et modulaire. En d’autres termes, il peut être fabriqué en différentes tailles pour répondre à la demande.

Plus précisément, il s’agit d’un réacteur électrifié qui permet d’obtenir de l’hydrogène de manière plus durable et plus efficace sur le plan énergétique en utilisant 36 membranes céramiques individuelles dans un générateur évolutif et modulaire qui produit de l’hydrogène à partir d’électricité et de divers combustibles avec une perte d’énergie quasi nulle. Le combustible peut être de l’ammoniac, du gaz naturel, du biogaz ou d’autres molécules contenant de l’hydrogène. Le projet a permis de faire évoluer un réacteur électrifié jusqu’à une production d’environ un demi-kilo d’hydrogène sous pression par jour par électro-compression, avec une grande pureté et une efficacité énergétique maximale de plus de 90 %. Un autre avantage est que le CO2 généré n’est pas émis dans l’atmosphère mais est transformé en un flux pressurisé pour la liquéfaction et le transport en vue d’une utilisation ou d’un stockage ultérieurs, ce qui permet la décarbonisation. La prochaine étape consistera à mettre en pratique ce qui a été appris et à le développer pour produire de l’hydrogène doré à l’échelle industrielle.

Une autre voie, également décrite dans la revue, consisterait à obtenir de l’hydrogène « naturel » (géologique) directement à partir de ressources souterraines. Contrairement aux idées reçues, d’importantes réserves d’hydrogène naturel peuvent exister dans le monde, comme le pétrole et le gaz, mais pas dans les mêmes endroits. Selon les chercheurs, les réactions eau-roche dans les profondeurs de la Terre génèrent continuellement 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) conçu en octobre 2022 lors d’une réunion de la Geological Society of America.

À Bourakébougou, au Mali, Chapman Petroleum a analysé en 2012, sous la direction de Denis Brière, ce qui sortait d’un puits sec foré pour trouver de l’eau, et a conclu qu’il s’agissait d’hydrogène gazeux à 98 %. C’était extraordinaire car on pensait que cela ne pouvait pas se produire dans la nature.

Suite à l’expérience malienne, le nombre de publications sur l’hydrogène « naturel » a explosé. Des dizaines de start-up, dont beaucoup en Australie, acquièrent des droits d’exploration de l’hydrogène. En 2019, le premier puits d’hydrogène a été réalisé aux États-Unis, dans le Nebraska. L’enthousiasme pour l’hydrogène naturel est né de l’intérêt croissant pour un carburant propre et sans carbone. Les gouvernements y voient un moyen de lutter contre le réchauffement climatique, des efforts qui ont été galvanisés par l’invasion de l’Ukraine par la Russie l’année dernière, déclenchant une recherche précipitée, en particulier en Europe, d’alternatives au gaz naturel russe. À l’heure actuelle, tout l’hydrogène commercial doit être fabriqué soit de manière polluante, en utilisant des combustibles fossiles, soit de manière coûteuse, en utilisant de l’électricité renouvelable. L’hydrogène naturel, s’il forme des réserves substantielles, pourrait être à portée de main, offrant aux foreurs expérimentés de l’industrie pétrolière et gazière une nouvelle perspective respectueuse de l’environnement.

L’hydrogène naturel peut être non seulement propre, mais aussi renouvelable. Il faut des millions d’années pour que des dépôts organiques enfouis et comprimés se transforment en pétrole et en gaz. En revanche, l’hydrogène naturel est toujours produit à nouveau, lorsque les eaux souterraines réagissent avec des minerais de fer à des températures et des pressions élevées. Au cours de la décennie qui s’est écoulée depuis le début de l’exploitation des puits d’hydrogène au Mali, les flux n’ont pas diminué. L’hydrogène naturel n’en est qu’à ses débuts. Les scientifiques ne comprennent pas entièrement comment il se forme et migre et, plus important encore, s’il s’accumule d’une manière commercialement exploitable.

Nous nous heurtons à des problèmes de stockage, ainsi qu’à un manque de pipelines et de systèmes de distribution. Les réservoirs sous pression augmentent le poids et le coût. Pour liquéfier l’hydrogène, il faut le refroidir à -253°C, ce qui constitue généralement une dépense rédhibitoire.

Selon M. Brière, l’extraction au Mali, qui bénéficie de puits peu profonds d’hydrogène presque pur, pourrait être aussi bon marché que 50 cents par kilogramme. Ian Munro, PDG d’Helios Aragon, une start-up qui recherche de l’hydrogène dans les contreforts des Pyrénées espagnoles, estime que son seuil de rentabilité pourrait se situer entre 50 et 70 cents.

Pour guider la prise de décision, les décideurs politiques, les gestionnaires de ressources, les sociétés d’exploration et les investisseurs auront besoin d’informations sur l’étendue de ces ressources potentielles. Or, à l’heure actuelle, les incertitudes liées à la génération, à la migration, à l’accumulation et à la préservation de l’H2 dans le sous-sol rendent impossible la détermination précise de ces ressources.

Selon Geoffrey Ellis (US Energy Resources Program), malgré les incertitudes, nous savons quelque chose de la présence et du comportement du H2 dans le sous-sol. Des déductions supplémentaires sur la présence de H2 peuvent être faites en utilisant les connaissances acquises par les études sur la migration, l’accumulation et la préservation des fluides liés aux ressources géologiques telles que le pétrole, l’énergie géothermique, les gaz nobles, etc. Ces facteurs peuvent être combinés pour éclairer davantage l’ampleur possible des ressources géologiques en H2 dans le sous-sol.

Un modèle préliminaire a été développé pour évaluer ces ressources en utilisant une approche de bilan de masse. Les données d’entrée du modèle comprennent le flux de surface, l’efficacité de capture, le temps de résidence du piège et la consommation biotique et abiotique de H2.

On suppose que la Terre se trouve actuellement dans un état stable en ce qui concerne le flux d’H2 de la subsurface vers l’atmosphère. La consommation d’hydrogène de cette future production d’H2 est modélisée en fonction de la production historique de gaz naturel. Les résultats du modèle stochastique indiquent une probabilité supérieure à 98 % que la production géologique d’H2 couvrira au moins 50 % de la production verte d’H2 prévue d’ici 2100.

En outre, ce modèle indique que le temps de résidence de l’H2 dans les réservoirs et le flux annuel d’H2 vers l’atmosphère sont les facteurs les plus influents sur ces ressources potentielles, tandis que les effets de la consommation biotique et abiotique d’H2 ont peu d’effet. Ces résultats fournissent un cadre initial et suggèrent que des recherches supplémentaires sont justifiées pour évaluer ces ressources naturelles potentielles en H2.

Arturo Peñas Jiménez