Hydrogène blanc : une nouvelle source d’énergie renouvelable ?

publié le 22/05/2023 | mis à jour le 19/06/2023 | par Laurie Fouché

Hydrogène blanc, c’est quoi ?

L’hydrogène blanc fait de plus en plus parler de lui. Pour comprendre pourquoi, il est important de revenir sur la définition de l’hydrogène blanc et d’expliquer en quoi il diffère d’autres formes de ce gaz.

Qu’est-ce que l’hydrogène ?

Lorsque l’hydrogène est mentionné dans le domaine de l’énergie, cela fait généralement référence à du dihydrogène (noté H₂). Chaque molécule de ce gaz est composée de deux atomes d’hydrogène (H) liés entre eux. L’élément hydrogène est le plus petit et le plus léger de l’univers. Il ne compte qu’un proton dans son noyau et un électron qui tourne autour. Par simplicité, nous utiliserons le terme hydrogène pour faire référence au dihydrogène (H₂) dans le cadre de cet article.

Le gaz d’hydrogène est lui aussi extrêmement léger, à tel point que la gravité terrestre ne peut pas le retenir sur Terre. Il est également :

• incolore ;
• inodore ;
• de faible densité ;
• très inflammable.

Lors de sa combustion, l’hydrogène produit de l’eau et libère de la chaleur. Cette réaction peut être utilisée pour la production d’électricité, ce qui fait que l’hydrogène est souvent considéré comme une source d’énergie.

Particularités de l’hydrogène blanc

L’hydrogène blanc est aussi appelé hydrogène naturel ou hydrogène natif. Cela fait référence au fait que l’hydrogène blanc est présent naturellement sur Terre, au même titre que les énergies fossiles que l’on peut extraire des sous-sols.

La présence d’hydrogène naturel dans la croûte terrestre est connue depuis longtemps : à Yanartaş, en Turquie, le gaz s’échappe par de petites crevasses et un feu éternel y brûle depuis plus de 2 500 ans, bien que l’origine du phénomène n’ait pas toujours été connue. Cependant, l’idée d’une exploitation industrielle de cette ressource naturelle est récente. Jusque-là, il était considéré plus simple et moins coûteux de produire l’hydrogène nécessaire à partir d’hydrocarbures. L’urgence grandissante d’une transition écologique rapide et radicale a porté l’hydrogène blanc sur le devant de la scène.

Que signifient les couleurs de l’hydrogène ?

Tous les hydrogènes n’ont pas la même origine. Selon le processus de fabrication utilisé, plusieurs dénominations existent :

• l’hydrogène noir provient du charbon ;
• l’hydrogène brun est lui aussi fabriqué à partir de charbon, mais avec un procédé différent ;
• l’hydrogène gris est produit à partir de méthane, c’est-à-dire de gaz naturel ;
• l’hydrogène bleu est un hydrogène gris pour lequel est mis en place un mécanisme de captage du CO₂ émis lors de sa synthèse ;
• l’hydrogène jaune est fabriqué à partir d’eau, par électrolyse. L’électricité utilisée dans ce cadre est d’origine nucléaire. Il est aussi parfois appelé hydrogène rose ;
• l’hydrogène vert est également produit par électrolyse de l’eau, mais à partir d’énergies renouvelables comme le solaire ou l’hydroélectricité ;
• l’hydrogène turquoise est aussi produit à partir de gaz naturel (ou de gaz vert issu de la biomasse) mais avec un procédé qui ne rejette pas de gaz à effet de serre (ou très peu) ;
• l’hydrogène blanc est présent naturellement sur Terre.

Nous constatons ici que toutes ces formes d’hydrogène sauf la dernière sont des vecteurs d’énergie : l’hydrogène est fabriqué à partir d’une source d’énergie exploitée par l’être humain. Seul l’hydrogène blanc est une véritable source d’énergie, au même titre que les rayons du soleil, la force du vent ou le gaz naturel qui se trouve en sous-sol.

Parmi tous ces types d’hydrogène, il n’existe pas vraiment de solution parfaite permettant un usage massif, propre et peu onéreux :

• l’hydrogène noir, brun et gris est extrêmement polluant ;
• l’hydrogène bleu est complexe à mettre en place, car le captage et le stockage du CO₂ restent des technologies mal maîtrisées ;
• l’hydrogène jaune ne rejette pas (ou très peu) de CO₂, mais l’énergie nucléaire comporte ses propres challenges ;
• l’hydrogène vert est une bonne alternative pour l’environnement, mais il coûte encore très cher dans l’ensemble ;
• l’hydrogène turquoise présente le même défaut, en plus de nécessiter l’utilisation de méthane.

Face à ce constat, l’hydrogène blanc fait donc naître l’espoir d’une source d’énergie qui ne présenterait pas ces défauts.

Quels sont les usages de l’hydrogène ?

Actuellement, l’immense majorité de l’hydrogène produit dans le monde est utilisée dans la chimie et le raffinage. En effet, c’est un composant de base pour la production d’ammoniac (et donc d’engrais) et de méthanol (solvant industriel qui sert aussi à la fabrication de médicaments et produits chimiques). Il est également utilisé dans les procédés de raffinage des hydrocarbures bruts en carburants et biocarburants. Parmi les secteurs qui utilisent massivement l’hydrogène, on citera :

• l’industrie pétrolière et gazière ;
• le textile ;
• l’industrie du verre ;
• l’électronique ;
• la métallurgie ;
• la navigation spatiale ;
• l’industrie pharmaceutique ;
• etc.

Ces applications de l’hydrogène sont les plus importantes en termes de quantité de gaz utilisé. Mais ce n’est pas le secteur qui fait le plus parler de lui. Comme nous l’avons vu, l’hydrogène est un vecteur énergétique ; il permet de produire de l’électricité à l’aide d’une pile à combustible. C’est à ce titre que bon nombre de personnes tendent à classer l’hydrogène dans la catégorie des énergies du futur. L’utilité de l’hydrogène dans la transition écologique se situe à plusieurs niveaux :

• les piles à combustible peuvent être facilement embarquées dans un véhicule. L’hydrogène permet alors de décarboner les transports, en particulier la mobilité lourde (camions, trains, bateaux, avions, etc.) ;
• produire de l’électricité à partir d’hydrogène peut participer à électrifier l’industrie, un secteur qui pèse lourd dans le bilan carbone des pays industrialisés ;
• l’hydrogène se stocke beaucoup plus facilement que l’électricité. Il est donc possible de l’utiliser pour exploiter au maximum les énergies renouvelables intermittentes comme l’éolien et le solaire, mais aussi l’énergie maréthermique et l’énergie marémotrice. En effet, les périodes de production d’électricité par ces sources ne correspondent pas forcément à une demande importante de la part des consommateurs.

Le problème majeur pour atteindre ces objectifs est que 95 % de la production d’hydrogène dans le monde est émettrice d’une grande quantité de gaz à effet de serre. Pour que l’hydrogène participe à la transition énergétique et écologique, il doit être d’origine renouvelable ou, tout du moins, bas-carbone. Cela explique pourquoi il est désormais envisagé d’exploiter l’hydrogène blanc.

Quand et comment l’hydrogène a-t-il été formé ?

Comme mentionné en début d’article, le gaz d’hydrogène (H₂) est très léger et n’est pas retenu sur Terre. Sa découverte a donc nécessité quelques expériences scientifiques.

Découverte de l’hydrogène

Le dihydrogène est la molécule la plus ancienne et la plus simple de notre Univers et on la retrouve dans toutes les étoiles dont le Soleil. Sur Terre, la recherche liée à l’hydrogène s’est déroulée ainsi :

• en 1766, le physicien britannique Henry Cavendish le découvre en faisant réagir des métaux et des acides. Il note la création d’un gaz qui peut brûler et le nomme « air inflammable » ;
• en 1783, le chimiste français Antoine Lavoisier découvre que cet air inflammable réagit avec de l’oxygène et produit de l’eau. Il le baptise alors hydrogène, littéralement « qui génère de l’eau » ;
• en 1838, le chimiste allemand Christian Schönbein établit le fonctionnement de la pile à combustible qui permet de générer de l’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène ;
• en 1841, le scientifique William Grove construit le premier modèle de pile à combustible en laboratoire ;
• en 1898, le chimiste britannique James Dewar parvient à liquéfier l’hydrogène en le refroidissant à -252,87 °C.

Formation de l’hydrogène blanc

L’hydrogène utilisé dans le monde est produit principalement à partir de gaz, charbon et pétrole ou, dans une plus petite mesure, à partir d’eau et d’électricité. Il est légitime de se demander comment se forme l’hydrogène naturel. Plusieurs explications sont possibles :

• de l’hydrogène peut être stocké dans le cœur et le manteau de la Terre depuis sa formation. Les sources d’hydrogène détectées en surface seraient un dégazage naturel de cet hydrogène primordial ;
• de l’eau peut réagir en sous-sol avec divers éléments (roches ultrabasiques, agents réducteurs, surfaces rocheuses fraîchement exposées) ;
• l’eau peut subir une radiolyse naturelle qui génère de l’hydrogène et de l’oxygène. Il s’agit du processus inverse de l’électrolyse qui produit quant à elle de l’eau à base d’hydrogène et d’oxygène ;
• l’hydrogène natif peut être le résultat de l’activité biologique et de la décomposition de matières organiques dans le sol.

Il est difficile de savoir exactement quels procédés sont impliqués dans la production d’hydrogène blanc et dans quelle proportion. Ce qui est certain, c’est que ces réserves naturelles semblent très vastes.

Où trouver l’hydrogène blanc ?

Les sources d’hydrogène blanc sont encore mal identifiées, car leur exploration est récente. Mais de nouveaux gisements sont identifiés chaque année.

L’hydrogène naturel en France

Plusieurs zones propices à l’exploitation de l’hydrogène natif ont déjà été identifiées dans l’Hexagone :

• une étude scientifique a confirmé la présence de ce gaz dans les Pyrénées où toutes les conditions idéales sont réunies (présence de roches permettant la formation d’hydrogène et de failles en profondeur qui peuvent faire remonter le gaz). Une zone propice de 7 500 km² est située dans l’Ouest pyrénéen, avec une concentration particulièrement intéressante au niveau du bassin crétacé de Mauléon ;
• une zone prometteuse de 251 km² a été identifiée dans la Nièvre ;
• un espace de 306 km² situé dans le Doubs semble également avoir un bon potentiel pour l’extraction de l’hydrogène ;
• des puits ont été relevés dans le fossé Rhénan ;
• le Jura externe semble également un bon candidat pour l’extraction d’hydrogène ;
• le bassin de Paris n’est pas en reste avec des ressources souterraines avérées.

Il faut également souligner que les fonds océaniques libèrent une grande quantité d’hydrogène en certains points. Les conditions d’accès étant difficiles, cette ressource n’est pour le moment pas envisagée comme une source d’énergie viable.

L’hydrogène natif dans le monde

Le reste du monde n’est pas dépourvu de ce gaz, et des sources d’hydrogène concentré sont connues dans d’autres pays :

• l’exemple le plus connu se trouve au Mali, à Bourakébougou, où un gisement d’hydrogène pur a 98 % a été trouvé lors du forage d’un puits ;
• des émanations conséquentes d’hydrogène ont été découvertes en Russie ;
• les États-Unis semblent eux aussi riches en hydrogène, avec notamment un gisement dans le Nebraska, au centre du pays ;
• l’Australie dispose également de cette ressource sur son vaste territoire ;
• les Philippines pourraient aussi se lancer dans l’exploitation d’hydrogène blanc ;
• des sources d’hydrogène ont également été mises en évidence dans le sultanat d’Oman.

Ces quelques exemples concernent les lieux où des études scientifiques ont été réalisées ou des zones ayant été analysées par des industriels en vue d’une exploitation. Il ne fait aucun doute qu’un nombre bien plus important de sources d’hydrogène naturel existe dans le monde. Elles n’ont tout simplement pas encore été identifiées.

Où en est l’exploitation de l’hydrogène blanc ?

L’exploitation à grande échelle de l’hydrogène blanc en est encore à ses balbutiements. Cependant, plusieurs entreprises se sont lancées :

• en France, l’entreprise 45-8 Energy prévoit une première installation de production sur le site de Fonts-Bouillants, dans la Nièvre. Dans un premier temps, l’objectif sera d’exploiter l’hélium qui se trouve dans le sous-sol, mais la présence d’hydrogène est un moteur puissant dans l’établissement de ce site pilote qui cherchera à terme à capter également cette ressource ;
• à Bourakébougou (Mali), le gisement d’hydrogène a été découvert en 1987. Dans un premier temps rebouché (du fait de l’inflammabilité du gaz), il a finalement été exploité à partir de 2012. Une installation produisant 7 kW (kilowatt) d’électricité grâce à une turbine de 35 kVA (kilovoltampère) est en place et constitue un test grandeur nature pour Hydroma Inc, l’entreprise à l’origine du projet. Son dirigeant est ouvertement enthousiaste à l’idée de développer cette source d’énergie au Mali, mais aussi dans le reste de l’Afrique et du monde. Il a notamment créé des filiales au Sénégal, en Mauritanie, au Niger et en Guinée-Bissau et a lancé des prospections en Australie et au Canada ;
• aux États-Unis, l’entreprise Natural Hydrogen Energy LLC a construit un puits d’hydrogène en 2019 dans le Nebraska. Les quantités produites n’ont pas été communiquées, mais l’installation est en fonctionnement ;
• en Espagne, c’est l’entreprise Helios Aragón qui souhaite exploiter un immense réservoir localisé au pied des Pyrénées, dans le nord-est du pays. Pour le moment, les lois espagnoles freinent le projet car elles interdisent toute nouvelle production d’hydrocarbures, de charbon ou d’uranium. Bien que l’hydrogène ne soit pas un hydrocarbure, la loi du pays s’applique pour le moment à ce gaz.

Des gisements piquent également l’intérêt des investisseurs en Chine, en Finlande, et même au fond de l’Atlantique.

Pour le moment, nous ne pouvons donc pas parler d’exploitation à grande échelle, mais il est évident que cela est amené à se développer dans les années à venir.

Avantages et inconvénients de l’hydrogène blanc

Nous l’avons vu au cours de cet article, l’hydrogène blanc présente plusieurs avantages :

• il est une véritable source d’énergie, et il n’y a pas besoin d’utiliser de ressources fossiles, d’eau ou d’électricité pour le produire. Cela lui donne donc un atout considérable par rapport aux autres types d’hydrogène, même celui d’origine renouvelable (hydrogène vert) ;
• les phénomènes géologiques et chimiques qui lui donnent naissance ont lieu en continu, il peut donc être exploité sans risque de vider les réserves mondiales. Cette ressource souterraine se classe donc dans la catégorie des énergies renouvelables et non des énergies fossiles ;
• d’après l’état des connaissances actuelles, il semblerait que la quantité d’hydrogène naturel exploitable dans le monde soit très importante, avec des sources dans la majorité des pays dans lesquels des recherches ont été menées ;
• le gaz d’hydrogène a une très grande densité massique. Autrement dit, pour chaque kilo, il contient 2,2 fois plus d’énergie que le gaz naturel, 2,75 fois plus que l’essence et 3 fois plus que le pétrole ;
• le potentiel de l’hydrogène blanc pour l’électrification de l’industrie et le développement d’une mobilité plus propre est immense. De grands acteurs du secteur de l’énergie investissent actuellement dans les projets en cours pour l’exploitation d’hydrogène natif.

D’un autre côté, aucune source d’énergie n’est parfaite, et l’hydrogène naturel a ses propres désavantages :

• son processus d’extraction n’en est encore qu’à la phase expérimentale. Il est difficile de savoir combien coûteront les installations nécessaires et quelles seront leurs conséquences sur l’environnement ;
• rappelons que l’hydrogène est hautement inflammable et composé de molécules de taille infiniment petites. Creuser un puits d’hydrogène représente donc un certain danger localement, car on cherche à capter un gaz qui peut s’enflammer à tout moment et qu’il est très difficile de maintenir dans des canalisations sans aucune fuite ;
• le stockage de l’hydrogène est un secteur où la recherche scientifique a fait beaucoup de progrès ces dernières années. Mais pour le stocker et le transporter, il faut soit le liquéfier à très basse température, soit le comprimer à très haute pression. Ces deux processus sont très énergivores et l’énergie grise de l’hydrogène blanc n’est donc pas négligeable.

Hydrogène blanc, énergie d’avenir ou pas ?

L’hydrogène naturel a un fort potentiel, et de grands acteurs de l’énergie ont investi récemment dans le secteur. De plus, de nombreuses politiques publiques dans le monde cherchent à encourager le développement de l’hydrogène vert. Cela est par exemple vrai en France. Il est probable que cette impulsion puisse s’appliquer à l’hydrogène natif lorsque son extraction sera technologiquement possible à échelle industrielle.

Comme de nombreuses sources d’énergie renouvelables nouvellement exploitées (géothermie, énergie houlomotrice, énergie osmotique, etc.), l’hydrogène blanc ne peut toutefois pas être considéré comme la solution ultime pour effectuer une transition énergétique rapide et efficace. Cela nécessite d’investir massivement dans les énergies renouvelables en général et, surtout, d’encourager les économies d’énergie dans tous les domaines où elles sont possibles.