H2 naturel

Action incitative de l'INSU

L'hydrogène naturel peut il être une source pour  les filières énergétiques ?

"Il règne au sein de la sphère politique, des organisations écologiques, des analystes de l'énergie et des grands industriels un sentiment croissant selon lequel l'hydrogène représente le carburant de l'avenir et qu'il révolutionnera la façon dont nous produisons et consommons l'énergie. À long terme, il est clair que notre dépendance à une énergie fossile limitée n'est pas tenable, tant écologiquement qu'économiquement. L'envolée des prix du pétrole au cours des dernières années a attiré l'attention sur les risques de la dépendance envers le pétrole et le gaz au plan de la sécurité énergétique. Elle a en outre suscité la prise de conscience que le monde commence à épuiser ses réserves de carburant bon marché, en hâtant ainsi l'impératif d'une mutation vers des technologies énergétiques plus sûres et plus propres. Parmi l'éventail de technologies de cet ordre susceptibles d'être préconisées à grande échelle dans un avenir prévisible, l'hydrogène est largement considéré comme la plus prometteuse. Le remplacement des combustibles fossiles par l'hydrogène dans les consommations d'énergie finale pourrait se traduire par des atouts écologiques majeurs, sous réserve que soient surmontés les défis techniques, écologiques et financiers relatifs au mode de production, d'acheminement, de stockage et d'utilisation de l'hydrogène."(1)

Les programmes actuels dédiés à l'hydrogène comme vecteur de l'énergie sont tous orientés sur les procédés artificiels de production avec en général consommation d'énergie et/ou production de CO2 (hydrolyse de l'eau ou reformage à la vapeur de combustibles fossiles). (cf. rapport 2005 de l'IPHE(2), voir aussi l'AAP 2005-2007 de l'ANR "PAN-H"(3))

Or l'hydrogène est aussi produit naturellement dans des systèmes hydrothermaux par réaction de l'eau profonde avec les minéraux ferromagnésiens des roches. La formation naturelle d'hydrogène résulte d'une réduction de l'eau associée à une oxydation du fer ferreux des minéraux selon une réaction classique de transfert électronique :

2 Fe2+minéral réactant + 2 H+eau → 2Fe3+minéral produit + H2

L'exemple emblématique de cette réaction est l'hydro-altération des roches ultrabasiques aux dorsales océaniques, qui produit de la magnétite et des minéraux magnésiens comme les serpentines, le talc et la brucite. Cette altération est responsable d'une production significative d'hydrogène, dont la concentration peut atteindre des valeurs importantes dans les fluides émis par les "fumeurs" hydrothermaux océaniques.

Son intérêt

Dans le cadre d'une société future utilisant l'hydrogène comme vecteur énergétique, l'existence d'une source naturelle présente potentiellement de grands avantages, comme le démontre l'utilisation actuelle des sources d'énergie fossile avec des coûts de production extrêmement bas. Elle permettrait, au moins en partie, de contourner l'obstacle de la production artificielle d'hydrogène : "Sur le chemin qui mène à l'économie de l'hydrogène, la production efficace et propre de l'hydrogène constitue l'obstacle majeur. Vecteur d'énergie, l'hydrogène doit être fabriqué à partir d'une source d'énergie primaire. De nombreuses méthodes industrielles de production d'hydrogène sont aujourd'hui disponibles mais toutes sont plus onéreuses que si la même quantité d'énergie était produite à partir de formes d'énergie conventionnelles (le coût étant plusieurs fois supérieur à celui des combustibles fossiles)."

Si le mécanisme de production est bien celui de la réaction de l'eau de mer avec le manteau terrestre exhumé par la dérive des continents, ou plus généralement par tous les processus hydrothermaux équivalents du point de vue chimique, la production naturelle de l'hydrogène devient une ressource (quasi) inépuisable qui rentre ainsi dans la catégorie des énergies durables.

La méconnaissance de ces sources naturelle d'hydrogène du point de vue de leur abondance, de leur distribution, de leur pérennité, de leur concentration et même, dans de nombreux cas, de leur existence, fait qu'il n'existe que très peu d'analyses de l'intérêt économique de telles sources. A notre connaissance, un seul pays, l'Islande, a abordé la question de l'hydrogène naturel comme vecteur énergétique avec des projets d'extraction de H2 dans les fumerolles hydrothermales de champs géothermiques (teneur ~ 4%, production ~50t/an/source(4), soit l'équivalent énergétique de ~ 650m3 d'essence).

Du point de vue de l'économie de l'hydrogène, il y a ainsi un véritable trou de connaissance des sources naturelles d'hydrogène. L'objectif du présent projet est d'obtenir les connaissances fondamentales nécessaires pour envisager une utilisation économique de l'hydrogène comme source d'énergie. C'est un projet à fort risque dont l'aboutissement n'est pas garanti. De par son aspect "recherche fondamentale", très amont sur les ressources naturelles, c'est donc typiquement un projet qui concerne directement le rôle incitatif de l'INSU.

La réussite d'un tel projet, du point de vue des sources d'énergie, donnerait à la France et à son industrie un avantage concurrentiel tant dans l'avancée de la connaissance que dans la maîtrise des technologies. Dans le cas contraire, l'apport aux connaissances sur les interactions hydrothermales et les transferts de matière dans la croûte devrait avoir des implications sur la genèse des ressources en général et donner des avantages économiques secondaires.

Intérêts complémentaires

Du point de vue économique

Dans certaines conditions, l'hydrogène naturel peut permettre une réduction du CO2 présent dans les sources et peut être couplé à la production d'autres gaz ayant un intérêt énergétique (e.g. CH4).

Du point de vue de la connaissance fondamentale

Les mécanismes mis en jeux ont aussi des intérêts primordiaux pour la compréhension des processus de réduction du carbone et l'apparition de molécules organiques plus complexes qui pourraient avoir été des précurseurs de la vie sur terre. La connaissance de la production et de la migration d'un gaz comme l'hydrogène par interaction entre les processus et matériaux profonds de la terre et les sources en eau de surface, implique une connaissance générale approfondie de l'ensemble du système terre impliquant toutes les composantes scientifiques du domaine, depuis la géophysique, la géochimie et la minéralogie jusqu'à l'océanographie, sur des objets aussi différents que les rides médio-océaniques, les circulations océaniques (suivi des traceurs géochimiques), le volcanisme terrestre, les bassins pétroliers et l'ensemble des systèmes géologiques susceptibles d'oxyder le fer des minéraux en milieu aqueux en produisant de l'hydrogène en sources diffuses ou concentrées.

Un effort de recherche coordonné et orienté vers l'hydrogène apporterait donc une avancée considérable sur ces sujets.

Développements ultérieurs

En cas de succès de ce projet incitatif, cette action pourra ultérieurement être reprise et coordonnée à une échelle de financement supérieure, dans les programmes de l'ANR ou d'autres programmes internationaux en partenariats (EUREKA, EUROGIA).

A moyen et long terme, s'il s'avère que la production d'hydrogène par oxydation des minéraux en milieu aqueux est un mécanisme efficace, la conception de modules autonomes de production artificielle d'hydrogène à partir de minéraux ferreux extractibles à faible coût, associée à une production d'énergie durable, pourrait être envisagée dans des projets de développement technologique en partenariat avec le programme interdisciplinaire Energie du CNRS.

Les grandes questions

Les grandes questions auxquelles cette action incitative cherche à répondre concernent (sans être exclusives) :

  • L'évaluation des différentes occurrences naturelles possibles (océaniques, terrestres), leur localisation, leur répartition, l'existence éventuelle de réservoirs, de drains, l'abondance et la concentration des sources et la nature des gaz et fluides associés, leur pérennité en relation avec leur exploitabilité potentielle ;
  • Les moyens de détection et suivi des traceurs de l'hydrogène dans les sources et éventuellement dans l'océan pour une visualisation des panaches permettant de remonter aux sources ;
  • Les outils de détection et d'analyse in situ, éventuellement permanents et communicants ;
  • Les mécanismes physico-chimiques réactionnels mis en jeux et les mécanismes de diffusion et migration de l'H2 dans les drains et les espaces poreux dans leur possible diversité, incluant les réactions secondaires avec le carbone sous ses diverses formes ;
  • Les moyens de séparation de l'hydrogène dans des fluides naturels complexes ou les moyens de les utiliser tels quels dans des processus de combustions ;
  • L'évaluation économique et juridique du projet.

Le fonctionnement

Ce projet entre dans le cadre des actions incitatives de l'INSU qui visent à constituer un domaine de recherche et une communauté nouvelle. A partir de 2008, un budget incitatif est prévu sur cette action avec pour objectif d'organiser un atelier de travail et de soutenir les projets exploratoires essentiels à l'organisation d'un projet coordonné sur cette question à l'horizon 2009-2010.

Cette action incitative est coordonnée avec les deux autres actions sur projet de l'INSU : 3F et SEDIT qui abordent des domaines scientifiques connexes.

Cette action incitative sera aussi coordonnée avec les partenaires institutionnels de l'INSU et avec les industriels intéressés par une telle recherche, ainsi qu'avec le programme interdisciplinaire du CNRS Energie, qui pourra considérer les aspects physiques, chimiques et technologiques de l'action incitative.

Un site privilégié d'étude des sources naturelles d'H2 aux sites hydrothermaux sous-marins est le chantier MOMAR, sur lequel de nombreux travaux ont été menés ces dernières années par l'INSU et l'IFREMER, et sur lequel de prochains développements sont anticipés, dans un cadre européen (EMSO, ESONET...) et international (InterRidge, Ridge 2000, projet de forage IODP au site Rainbow...). Ce sera une cible privilégiée de cette action incitative et des actions coordonnées qui devraient suivre.

Note(s): 

Rapport « l'économie de l'hydrogène » du Programme des Nations Unies pour l'Environnement, 2006