L’hydrogène naturel, présent dans les poches souterraines de la croûte terrestre, suscite un intérêt grandissant en tant que source d’énergie potentiellement illimitée et sans carbone. Le département de l’Énergie des États-Unis a récemment accordé des subventions de recherche à des équipes de laboratoires, d’universités et d’entreprises privées pour développer des technologies permettant d’exploiter ce combustible bon marché et propre.
Un processus naturel de production d’hydrogène
L’hydrogène géologique est produit lorsque l’eau réagit avec des roches riches en fer, provoquant l’oxydation du fer. Le groupe de recherche du professeur assistant Iwnetim Abate du MIT, l’un des bénéficiaires de la subvention, utilisera sa subvention de 1,3 million de dollars pour déterminer les conditions idéales de production d’hydrogène souterrain, en tenant compte de facteurs comme les catalyseurs pour initier la réaction chimique, la température, la pression et les niveaux de pH.
L’objectif est d’améliorer l’efficacité de la production à grande échelle, en répondant aux besoins énergétiques mondiaux à un coût compétitif. Selon l’U.S. Geological Survey, il y aurait potentiellement des milliards de tonnes d’hydrogène géologique enfouis dans la croûte terrestre.
Un intérêt croissant pour l’hydrogène naturel
L’intérêt pour l’hydrogène géologique grandit à une époque où les gouvernements du monde entier recherchent des alternatives énergétiques sans carbone au pétrole et au gaz. En décembre, le président français Emmanuel Macron a déclaré que son gouvernement fournirait des fonds pour explorer l’hydrogène naturel.
Aujourd’hui, l’hydrogène commercial est fabriqué à 2 dollars le kilogramme, principalement pour la production d’engrais, de produits chimiques et d’acier, mais la plupart des méthodes impliquent la combustion de combustibles fossiles, qui libèrent du carbone réchauffant la Terre. L’« hydrogène vert », produit à partir d’énergies renouvelables, est prometteur, mais à 7 dollars le kilogramme, il est coûteux.
Des projets de recherche diversifiés
Les bénéficiaires des subventions de l’ARPA-E comprennent la Colorado School of Mines, la Texas Tech University et le Los Alamos National Laboratory, ainsi que des entreprises privées comme Koloma, une startup de production d’hydrogène qui a reçu des financements d’Amazon et de Bill Gates.
Les projets eux-mêmes sont diversifiés, allant de l’application des méthodes industrielles pétrolières et gazières pour la production et l’extraction d’hydrogène au développement de modèles pour comprendre la formation d’hydrogène dans les roches.
Un potentiel énorme à exploiter
Le géochimiste Viacheslav Zgonnik, l’un des plus grands experts dans le domaine de l’hydrogène naturel, s’accorde à dire que la liste des inconnues est longue, tout comme le chemin vers les premiers projets commerciaux. Mais il affirme que les efforts pour stimuler la production d’hydrogène – pour exploiter la réaction naturelle entre l’eau et la roche – présentent un « potentiel énorme ».
« L’idée est de trouver des moyens d’accélérer cette réaction et de la contrôler afin que nous puissions produire de l’hydrogène à la demande dans des endroits spécifiques », explique le géochimiste, PDG et fondateur de Natural Hydrogen Energy, une startup basée à Denver qui détient des baux miniers pour des forages exploratoires aux États-Unis. « Si nous pouvons atteindre cet objectif, cela signifie que nous pouvons potentiellement remplacer les combustibles fossiles par de l’hydrogène stimulé. »
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Des expériences à grande échelle
Iwnetim Abate et les chercheurs de son laboratoire formulent une recette pour un fluide qui induira la réaction chimique déclenchant la production d’hydrogène dans les roches. L’ingrédient principal est l’eau, et l’équipe teste des matériaux « simples » pour les catalyseurs qui accéléreront la réaction et augmenteront ainsi la quantité d’hydrogène produite, explique le post-doctorant Yifan Gao.
L’équipe développe ce qu’elle appelle un système à haut débit, composé d’un logiciel d’intelligence artificielle et de robotique, pour tester différents mélanges de catalyseurs et simuler ce qui se passerait lorsqu’ils seraient appliqués à des roches de différentes régions, avec différentes conditions externes comme la température et la pression.
Pour Douglas Wicks, de l’ARPA-E, les questions que posent Iwnetim Abate et les autres bénéficiaires de la subvention ne sont que les premières étapes critiques d’un territoire énergétique inexploré.
« Si nous parvenons à comprendre comment stimuler ces roches pour qu’elles produisent de l’hydrogène en toute sécurité, nous pourrons vraiment libérer la source d’énergie potentielle », explique-t-il. Ensuite, l’industrie émergente se tournera vers le pétrole et le gaz pour le savoir-faire en matière de forage, de tuyauterie et d’extraction du gaz. « Comme j’aime à le dire, il s’agit d’une technologie habilitante qui, nous l’espérons, nous permettra à très court terme de dire : Y a-t-il vraiment quelque chose là ? »
La prochaine étape du projet, après avoir développé la recette du catalyseur, est de concevoir un réacteur qui servira à deux fins. Tout d’abord, équipé de technologies telles que la spectroscopie Raman, il permettra aux chercheurs d’identifier et d’optimiser les conditions chimiques qui conduisent à des taux et des rendements améliorés de production d’hydrogène.
Le dispositif à l’échelle du laboratoire permettra également d’orienter la conception d’un réacteur réel capable d’accélérer la production d’hydrogène sur le terrain.
Légende illustration : Le mois dernier, le ministère américain de l’énergie a accordé des subventions de recherche d’un montant de 20 millions de dollars à 18 équipes issues de laboratoires, d’universités et d’entreprises privées, afin de développer des technologies susceptibles de permettre la production à faible coût d’hydrogène à partir du sous-sol.
