Hydrogène: la chasse à l’énergie 100% propre

La Nature cuisine une ressource incroyable sous nos pieds. De l’hydrogène naturel, un gaz très puissant qui peut changer le monde si on en trouve assez. Les explications de Frank Zwaan, de l’Unil.

Cette histoire ressemble à un conte de fées énergétique. Il était une fois une source d’énergie totalement sous-estimée, qui serait produite par la nature dans des cuisines cachées sous nos pieds. Elle attendrait en profondeur, en quantités industrielles, le moment de remonter vers la surface.

Vous ne rêvez pas. Cette énergie existe. Elle s’appelle l’hydrogène (H_₂) et elle est plus puissante que le pétrole, et aussi plus propre. Nous l’utilisons déjà dans de nombreux moyens de transport, des fusées aux camions, et même dans une voiture de course qui a participé aux 24 heures du Mans.

«Jusqu’à récemment, personne n’avait pensé à aller chercher des réserves d’hydrogène dans le sous-sol, dit Frank Zwaan, un chercheur de l’Unil qui a publié un article sur le sujet (référence en p. 26). Mais avec le contexte géopolitique actuel, on voit mieux les avantages de disposer d’autres sources d’énergie. L’hydrogène en fait partie. Surtout l’hydrogène naturel ou hydrogène blanc, qui est la version la plus propre de cette ressource.»

Ce n’est pas un conte: il y a effectivement des cuisines 100% naturelles qui produisent de l’hydrogène naturel sous nos pieds, confirme Frank Zwaan. Le chercheur à la Faculté des géosciences et de l’environnement de l’Unil travaille actuellement à établir la carte des meilleurs endroits où il faudrait creuser pour trouver ces super molécules en masse.

Dans le scénario le plus favorable, l’exploitation de cette ressource permettrait notamment à la Suisse, à la France ou à l’Italie de s’imposer comme les nouveaux pays du Golfe de cette énergie qui peut devenir le pétrole du futur, en mieux.

«Pour que cette nouvelle filière décolle vraiment, il faut trouver un grand champ d’hydrogène exploitable quelque part dans le sous-sol», dit Frank Zwaan. Le rêve actuel, c’est de découvrir des endroits où il y a de fortes concentrations d’hydrogène, que l’on pourrait récupérer avec un puits, un peu comme le pétrole.

Il y a des quantités colossales de ce gaz sur Terre et dans les océans. Mais ses atomes sont souvent mélangés à d’autres comme l’oxygène dans l’eau, ou H₂O. Cette formule chimique rappelle que ce liquide est composé de deux atomes d’hydrogène associés à un atome d’oxygène.

On trouve aussi de l’hydrogène dans le méthane, dans une combinaison différente. Le but, c’est de découvrir un endroit où cette ressource est stockée sous la forme la plus pure possible, en grandes quantités et pas trop profond.

Une énergie très puissante

L’hydrogène est une source d’énergie qui peut être utilisée directement dans les moteurs thermiques, ou alimenter une pile à combustible pour faire tourner un moteur électrique. C’est un gaz très puissant, puisque cette molécule contient 2,7 fois plus d’énergie que l’essence et 3 fois plus que le pétrole brut, dans une masse équivalente.Le grand avantage, quand on brûle de l’hydrogène, c’est qu’on produit de l’eau, ce qui en fait une énergie parfaitement propre. La grande difficulté actuelle, c’est de remplir les réservoirs de manière écologique.

On sait déjà comment l’utiliser

Les projets futuristes se bousculent. Alstom a commercialisé un train qui roule à l’hydrogène dès 2018. Et le suisse Stadler Rail est entré dans le Guinness Book avec sa rame Flirt H₂, qui a établi le record du plus long trajet pour un train à hydrogène sans ravitaillement (2803 km).

Dans l’aéronautique, il y a ce projet d’aile volante à hydrogène dévoilé par Airbus pour décarboner l’aviation. Elle rappelle les aventures de la BD Le secret de l’Espadon de Blake et Mortimer. Les hélicoptères à hydrogène existent aussi et ils sont entrés dans leur phase de tests. Enfin, il y a cet apprenti suisse qui a reçu récemment un prix pour son projet de kit permettant de transformer les voitures thermiques en véhicules à hydrogène.

Les couleurs de l’hydrogène

«Il n’y a pas seulement les transports. Nous avons aussi besoin de quantités importantes d’hydrogène dans de nombreux processus industriels. Pour fabriquer de l’acier vert, par exemple, il faut énormément d’hydrogène, rappelle Frank Zwaan. Si on veut une économie décarbonée, il faut réfléchir à la manière de trouver et de produire cette ressource.»

«Actuellement, on produit beaucoup d’hydrogène à partir d’énergies fossiles, ce qu’on appelle l’hydrogène gris, et ce n’est pas l’idéal. On peut améliorer le bilan écologique de cette production en stockant du CO₂ dans le sol. On parle alors d’hydrogène bleu».

«On peut aussi produire de l’hydrogène vert par électrolyse à partir d’énergies renouvelables (solaire, éolien, barrages…). C’est mieux, mais l’idéal serait de pouvoir simplement forer un trou dans le sol et récupérer directement dans le sous-sol de l’hydrogène naturel, ou hydrogène blanc.» La chasse à ces fameuses cuisines à hydrogène est donc ouverte.

Pourquoi parler de cuisine?

«C’est une expression héritée du monde pétrolier, répond le chercheur de l’Unil. On utilise ce terme parce que ces usines naturelles en sous-sol fabriquent de l’hydrogène en continu, en temps réel.» Le sous-sol ne se contente pas de stocker l’hydrogène: il le cuisine activement, avec une recette bien précise.

En termes scientifiques, on parlera plutôt d’une réaction chimique naturelle, qui se produit dans le sous-sol entre l’eau et les roches du manteau terrestre, généralement de la péridotite.

La recette est simple. Il suffit de trois éléments. D’abord, il faut qu’il y ait dans le sous-sol les fameuses roches du manteau terrestre, qui sont riches en fer. Ensuite, ces roches doivent être portées à la bonne température, qui est située entre 150 et 400 degrés Celsius. Enfin, il faut que de l’eau s’infiltre jusque dans la cuisine, ce qui provoque une réaction chimique massive.

À bonne température, l’eau oxyde le fer contenu dans la péridotite. Cette réaction transforme la roche d’origine en une nouvelle roche de couleur verdâtre, qui fait penser à une peau de serpent et qu’on a baptisée serpentinite. Le résultat de ce processus appelé la serpentinisation, c’est la production gratuite, naturelle et en grandes quantités d’hydrogène blanc.

Où est cette cuisine à gaz?

C’est ce que cherche Frank Zwaan. «Je travaille avec des modèles mathématiques et des calculs sur la tectonique des plaques à grande échelle, pour comprendre comment la nature développe ces cuisines favorables à la production d’hydrogène.»

Une autre manière de localiser ces cuisines consiste à se promener en montagne, et à chercher des pierres vertes. Quand on trouve des olivines ou de la serpentine sur le chemin de la cabane du Club alpin, c’est qu’il y a, ou qu’il y a eu, des cuisines en profondeur. Or, ce sont des cailloux que l’on trouve en nombre dans les Alpes.

Frank Zwaan cherche des zones où des roches du manteau terrestre sont arrivées près de la surface. Comme elles sont bien plus lourdes que les autres, cela nécessite des circonstances particulières. La création d’une chaîne de montagnes en est une. L’érosion en est une autre. Il faut ensuite que ces roches qui sont remontées dans le sous-sol durant 30 kilomètres n’aient pas rencontré d’eau. Dans ce cas, elles restent «fraîches», et elles peuvent produire de l’hydrogène blanc.

Le chercheur de l’Unil s’attend notamment à trouver cette combinaison dans les Alpes, mais pas seulement. «Les travaux sont plus avancés dans les Pyrénées, en France, où il y a déjà des entreprises qui cherchent activement où creuser. En Suisse, nous en sommes encore au stade scientifique.»

On cherche une cuisine ou son frigo?

En théorie, il peut exister deux sources d’hydrogène naturel dans le sous-sol. Dans un premier scénario, la cuisine fonctionne encore au moment où vous lisez ces lignes, et l’idée consiste à la localiser, et à venir récupérer le gaz quand il sort de l’usine naturelle. On peut aussi imaginer d’injecter de l’eau en profondeur sur des roches à bonne température, pour provoquer la serpentinisation.

L’autre scénario, c’est de trouver un gros stock de gaz, qui a été produit il y a longtemps, et qui est resté bloqué, quelque part dans le sous-sol. C’est le congélateur de la cuisine, en quelque sorte. «C’est l’idée classique qui vient du monde pétrolier. On imagine que le gaz a été bloqué à un moment donné par une couche géologique imperméable et dense, comme de l’argile ou du sel, et il s’est accumulé là. Si un tel gisement n’est pas trop profond, on peut forer et exploiter ce champ d’hydrogène.»

La chasse à l’hydrogène a débuté un peu comme la course au pétrole, c’est pour cela qu’on compare souvent l’exploitation de l’hydrogène à celle de l’Or Noir. Le premier puits à hydrogène naturel a été découvert tout à fait par hasard, au Mali en 1987, dans un village, à 60 kilomètres de Bamako. Lors d’un forage prévu pour trouver de l’eau, des ouvriers ont crevé une poche à 108 mètres de profondeur, ce qui a permis à un gaz invisible et inodore de s’échapper.

Quand un ouvrier s’est approché et qu’il a allumé une cigarette, il a déclenché un incendie spectaculaire qui a été maîtrisé seulement après un mois d’efforts. Le puits a été scellé par une dalle en béton, jusqu’à ce qu’un homme d’affaires malien entende parler de la vieille légende du puits qui crachait le feu. Il a engagé des recherches et a découvert avec stupéfaction que le gaz bloqué dans le puits était de l’hydrogène pur à 98%.

C’est trop beau pour être vrai?

Si personne ne conteste que l’hydrogène est une énergie 100% verte, les critiques rappellent que cette possible exploitation de l’hydrogène naturel à grande échelle reste encore un concept très théorique. Ils ajoutent que les pétroliers et les exploitants de mines ont déjà creusé un peu partout, sans découvrir de gisements comparables à celui du Mali.

«La réponse classique à ces critiques, c’est que nous n’avons pas creusé au bon endroit, dit Frank Zwaan. Les endroits où l’on trouve traditionnellement des roches du manteau près de la surface sont les dorsales océaniques, mais on parle de plaines situées à 3, 4 ou 5000 mètres de profondeur sous les flots, donc d’un milieu hostile et difficile d’accès. L’autre endroit où il faudrait creuser, ce sont les chaînes de montagnes. C’est pour cela que les recherches s’orientent dans cette direction.»

Il y a des indices encourageants. En Albanie, on peut voir des bulles d’hydrogène remonter à la surface dans l’eau, au fond d’une mine de chrome. Dans les Pyrénées, il y a aussi des petits bassins avec des émanations de gaz. Seule manque encore une découverte de plus grande taille, qui montrera que le conte de fées peut devenir réalité. Pour Frank Zwaan, ce conte de fées aura une fin heureuse, quoi qu’il arrive. «Tous ces investissements financiers et scientifiques ne seront pas inutiles», estime le chercheur.

D’abord parce que les travaux sur les technologies de transport, de stockage et de l’utilisation de l’hydrogène serviront de toute façon à l’hydrogène vert. «Ce sont des accélérateurs pour la décarbonation, et c’est une bonne nouvelle de voir que la Nature offre encore des ressources propres que nous n’avons pas exploitées.» Ensuite parce que «ces travaux améliorent notre connaissance du sous-sol global, et cela profitera à d’autres applications cruciales comme la géothermie profonde ou le stockage de CO₂ dans le sous-sol.» Et ça, ce n’est pas un conte de fées. Quel que soit le scénario, rien n’est perdu. /