L`hydrogène est une des sources énergétiques projetées

Actions Incitative de recherche sur projets
L’hydrogène naturel
Appel d’offres 2008
Titre développé : L’hydrogène naturel peut il être une source pour les filières
énergétiques ?
Introduction :
« 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’IPHE2, 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 beaucoup de 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/source4, 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.
Intérêt complémentaire :
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 océanique (suivi des traceurs géochimiques),
le volcanisme terrestre, les bassins pétroliers et l’ensemble des systèmes géologiques
susceptibles de d’oxyder le fer des minéraux en milieu aqueux en produisant de
l’hydrogène en source 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 module autonome 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, terrestre), leur
localisation, leur répartition, l’existence éventuelle de réservoir, de drains, l’abondance, 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.
Références citées :
1
Rapport « l’économie de l’hydrogène » du Programme des Nations Unies pour
l’Environnement, 2006)
2
PHE, International Partnership for the Hydrogen Economy , http://www.iphe.net/
3
Plan d'Action National sur l'Hydrogène et les piles à combustible (PAN-H), ANR , www.gip-anr.fr
4
T.I.Sigfusson, "Iceland, the Hydrogen Island", invited speech at the APEC Energy Working Group Energy Security
Initiative: Hydrogen Interim Framework Document Workshop, Honolulu, Hawaii: March 29-30, 2004
http://www.oecd.org/dataoecd/13/11/36746599.pdf
Contact : Bruno Goffé : [email protected]
voir aussi,