Quel potentiel pour l’hydrogène naturel ?

Les moyens de production de l’hydrogène sont souvent assimilés à une palette de couleurs, chacune permettant de rapidement déterminer la provenance de l’hydrogène et l’empreinte carbone qui peut y être associée. Si l'hydrogène est l’élément chimique le plus abondant dans l’univers, il n’existe que très rarement à l’état naturel et est généralement combiné avec d’autres atomes. Exception faite de l’hydrogène blanc, que l’on pensait rare à l’état naturel, mais dont le potentiel n’est pas à négliger.

Une variété de couleurs sont attribuées à l’hydrogène - noir, gris, vert, bleu, turquoise, rose et jaune – selon son mode de production.

L’hydrogène vert, par exemple, est produit par électrolyse de la molécule d'eau avec de l'électricité provenant de source d’énergies renouvelables, comme le solaire et l'éolien. C’est le moyen de production utilisé sur Energy Observer, dont la chaîne de production d’hydrogène utilise l’électricité produite grâce aux énergies renouvelables du bord et de l’eau de mer dessalée puis déminéralisée.

L'hydrogène gris, à l'inverse, provient de gaz naturel, ou les atomes d’hydrogène sont séparés des atomes de carbone par de la vapeur d’eau (une technique appelée vaporeformage). Cette méthode couramment utilisée émet par contre une moyenne de 9,3 kg de CO2 par kilo d’hydrogène. Ces émissions provenant du vaporeformage peuvent être captées et séquestrées, rendant le processus “bas carbone”. C’est cela que l’on appelle l’hydrogène bleu. Au final si la molécule d’hydrogène est la même, c’est bien son moyen de production qui sera déterminant dans l’impact carbone global d’un système énergétique reposant sur l’hydrogène.

Pour les autres couleurs de  'hydrogène, vous pouvez vous référer au tableau à la fin de l’article.

En Nouvelle-Calédonie, où le navire Energy Observer se trouve actuellement, il est possible de trouver de l’hydrogène blanc. Ce type d’hydrogène n’est non pas créé par l’Homme, mais est naturellement présent, sous forme de gaz, soit dans la croûte continentale, dans les couches profondes de la croûte océanique, dans les gaz volcaniques, dans les geysers ou dans les sources hydrothermales. Il semble que l’hydrogène soit naturellement produit dans une variété de formations rocheuses et de régions géologiques.

Le processus naturel de formation de l’hydrogène n’est que peu connu à ce jour. Il existe plusieurs hypothèses : dégazage directement depuis le manteau de la terre, réaction de l’eau avec des roches ultrabasiques (serpentinisation*) ou avec des agents dans le manteau terrestre, radiolyse naturelle de l’eau (dissociation de la molécule d’eau par de l’uranium ou du plutonium), ou décomposition de matière organique. En Nouvelle-Calédonie, l’origine proposée du gaz est la serpentinisation, où l’eau réagit avec certaines roches (ici des ophiolites) et dégaze son hydrogène. La source néo-calédonienne se trouve dans la Baie de Prony, dans le lagon, où des sources sous-marines libèrent de l’eau chaude (43˚C), alcaline (pH>11), et riche en H2 (entre 12 et 34%).

Considéré auparavant comme une occurrence rare, des études récentes prouvent que l’hydrogène blanc sous forme de gaz est beaucoup plus répandu dans la nature qu’on ne le pensait. Cette erreur de jugement peut s’expliquer de plusieurs façons. Tout d’abord, si personne ne s’attend à trouver de l’hydrogène « libre », personne ne le cherche. C’est pourquoi, encore aujourd’hui, beaucoup d’outils de mesures et de méthodes analytiques sont peu performants dans la détection d’hydrogène. Un autre facteur diminuant la découverte d’hydrogène blanc réside dans le fait que la plupart des puits dans le monde furent creusés dans des roches sédimentaires, là où les énergies fossiles sont stockées. Or, ces roches sont peu propices à la formation d’hydrogène. Enfin, étant l’élément le plus léger de la planète, l’hydrogène se diffuse rapidement dans l’air et d’autres environnements. Il ne reste donc pas longtemps emprisonné dans les roches.

Contrairement aux stocks d’énergies fossiles qui requièrent des millions d’années pour être formés, l’hydrogène naturel est créé en continu, avec un cycle de renouvellement rapide à l’échelle d’une vie humaine.

L’hydrogène blanc, avec sa production continue et son temps de stockage court, doit être considéré comme un flux plutôt que comme un stock. Ce système extrêmement dynamique pourrait élargir notre usage de l’hydrogène actuel, où ce gaz précieux pourrait devenir une source d’énergie et non plus uniquement un vecteur d’énergie. Cette potentialité est démontrée au Mali, où une source d’hydrogène avec 98% de pureté est directement exploitée. Le gaz est brûlé dans une turbine pour produire de l’électricité qui alimente ensuite tout le village de Bourakébougou.

Aujourd’hui, 95% de l’hydrogène crée par l’homme provient du vaporeformage, une technique avec un haut rendement, mais une empreinte carbone désastreuse. À l’inverse, l’électrolyse peut être réalisée avec de l’électricité provenant d’énergies renouvelables, mais deux tiers de l’énergie est perdu dans le processus.

L’hydrogène naturel est maintenant perçu comme source abondante d’énergie décarbonée qui, de plus, requière une infrastructure minimale pour son extraction, surtout comparée aux besoins des énergies fossiles. Du fait du manque d’études dédiées à l’hydrogène blanc, il est difficile d’estimer les ressources aujourd’hui présentes dans le monde. Mais, depuis mars 2021, l’initiative EarthH2 rassemble scientifiques et industriels pour augmenter la connaissance actuelle sur la genèse et les ressources d’hydrogène naturel.

Un futur à l’hydrogène vert et blanc pourrait nous aider à transiter enfin vers des sources d’énergies zéro carbone, pour le meilleur de la planète et de l’humanité.

* La serpentinisation est un processus naturel d’altération des roches riches en fer et en magnésium par l’eau. Cette altération, couplée à l’oxydation des métaux contenus dans les roches, produit un gaz enrichi en hydrogène et une eau très alcaline (pH jusqu’à 12,5).

Exemple de serpentinisation dans l’olivine (minéral riche en fer et magnésium) :

3 Fe2SiO4 + 2 H2O –> 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 2 H2

Fayalite + Eau –> Magnétite + Silice + Hydrogène

• Gris 

Production par vaporeformage. Un gaz naturel (souvent le méthane, CH4) réagit avec de la vapeur d’eau dans un mélange à haute pression. Cela produit du dioxyde de carbone et de l’hydrogène.

CH4 + H2O –> CO + 3 H2

puis

CO + H2O –> CO2 + H2

• Vert

L’hydrogène peut aussi être créé par électrolyse de l’eau. Cela signifie que la molécule d’eau est divisée en deux par une source d’électricité, séparant l’oxygène de l’hydrogène.

L’hydrogène vert ou « propre » veut dire que l’électricité provient de source d’énergie renouvelable (solaire, éolien, géothermique etc.).

• Bleu 

L’hydrogène est appelé bleu lorsque les émissions de CO2 provenant du processus de vaporeformage sont capturées et séquestrées pour éviter leur libération dans l'atmosphère.

• Noir/Brun 

Par transformation du charbon en gaz. Le charbon est chauffé à 700˚C (sans combustion) et de l’oxygène et/ou de la vapeur d'eau est ajouté. Le mélange de monoxyde de carbone et de vapeur d’eau est transformé en dioxyde de carbone (CO2) et en hydrogène. Ce procédé est appelé gazéification.

CO + H2O –> CO2 + H2

• Turquoise 

Le méthane (gaz naturel, CH4) peut également être séparé à très haute température par un procédé appelé pyrolyse. Avec cette technique, l’hydrogène est libéré sous forme de gaz et le carbone sous forme solide. Le carbone solide est facilement séquestré ou réutilisé comme matière première. Ce processus est aussi “bas-carbone” parce que le CO2 n’est pas relâché dans l'atmosphère. Encore faut-il que l’énergie fournie pour le processus de pyrolyse soit renouvelable.

• Rose

Quand l’électricité pour l’électrolyse provient d’une source nucléaire.

• Jaune

Quand l’électricité pour l’électrolyse provient uniquement de l’énergie solaire.