L'hydrogène naturel est-il vraiment une ressource renouvelable ?
Avec des réserves potentielles estimées entre 1 et 10 billions de tonnes dans la croûte terrestre [1], l’hydrogène naturel suscite un intérêt croissant dans le contexte de la transition énergétique. Contrairement à l’hydrogène produit industriellement, il existe déjà dans le sous-sol, généré par des processus géologiques actifs. Cette réalité soulève une question centrale : peut-on réellement qualifier l’hydrogène naturel de ressource renouvelable ?
La réponse n’est pas binaire. Elle dépend de la vitesse à laquelle l’hydrogène se forme, de la manière dont il s’accumule dans des réservoirs exploitables et de la capacité humaine à l’extraire sans dépasser ses taux de régénération. Cet article propose une analyse scientifique accessible : définition du caractère « renouvelable », mécanismes de formation et de régénération, comparaison avec d’autres ressources énergétiques et exemples concrets de réservoirs actifs dans le monde.
Qu'est-ce que l'hydrogène naturel et comment se forme-t-il ?
L'hydrogène naturel existe naturellement dans la croûte terrestre, bien avant que l'humanité ne commence à le produire artificiellement. Également appelé hydrogène géologique ou hydrogène blanc, il se distingue fondamentalement des autres types d'hydrogène actuellement utilisés. Contrairement à l'hydrogène gris produit à partir de gaz naturel, à l'hydrogène bleu obtenu avec capture de CO₂, ou à l'hydrogène vert issu de l'électrolyse alimentée par des énergies renouvelables, l'hydrogène naturel se trouve déjà formé dans le sous-sol.
Origine géologique
La formation de l'hydrogène naturel résulte de plusieurs mécanismes géologiques actifs:
La serpentinisation : Le premier processus, appelé serpentinisation, implique une réaction chimique entre l'eau et les roches riches en fer et magnésium.
La radiolyse de l’eau : Le deuxième mécanisme, la radiolyse de l'eau, correspond à la décomposition des molécules d'eau sous l'effet des radiations naturelles présentes dans la croûte terrestre.
Le dégazage mantellique : Enfin, le dégazage du manteau terrestre contribue également à la présence d'hydrogène dans les couches géologiques superficielles [3].
Par ailleurs, des émissions naturelles d'hydrogène ont été découvertes sur l'ensemble des continents. Les modèles géochimiques actuels estiment que le flux global d'hydrogène naturel vers la surface terrestre varie entre 3 et 23 millions de tonnes par an [1]. Les scientifiques de l'USGS soulignent d'ailleurs que l'hydrogène pourrait se trouver en concentrations plus élevées dans des contextes géologiques qui n'ont pas encore été explorés.
Bien que connu depuis longtemps par les géologues, l'hydrogène naturel n'a été sérieusement considéré comme ressource énergétique qu'après la découverte du puits de Bourakébougou au Mali en 2012. Ce puits alimente un village en électricité depuis plus d'une décennie, démontrant la viabilité de cette ressource pour des applications concrètes. Selon les chercheurs, l'hydrogène naturel est généré continuellement par divers processus géochimiques dans la croûte et le manteau terrestres [3].
Image source: Hidden Hydrogen, science.org
Renouvelable vs. Abondant : une distinction cruciale
Comprendre la différence entre « renouvelable » et « abondant » est essentiel pour évaluer le véritable potentiel de l'hydrogène naturel. Une ressource est considérée renouvelable lorsqu'elle se régénère à un rythme égal ou supérieur à son taux de consommation, permettant ainsi une exploitation durable sur le long terme [5]. Cette définition pose un cadre clair pour analyser le cas de l'hydrogène naturel.
Les recherches scientifiques indiquent que l'hydrogène se régénère continuellement dans la croûte terrestre grâce aux processus géologiques actifs. Toutefois, les taux de régénération varient considérablement selon les contextes géologiques. Certains sites pourraient produire quelques kilogrammes d'hydrogène par an, tandis que d'autres pourraient générer plusieurs tonnes annuellement [3]. Cette variabilité complexifie l'évaluation du caractère renouvelable de cette ressource.
La comparaison avec les combustibles fossiles éclaire cependant cette question. Les hydrocarbures nécessitent des millions d'années pour se former à partir de matière organique enfouie et soumise à des conditions extrêmes de température et de pression. L'hydrogène naturel, en revanche, peut se former sur des échelles de temps beaucoup plus courtes grâce aux processus géochimiques actifs qui opèrent continuellement dans la croûte terrestre [2]. Cette différence temporelle fondamentale influence directement la capacité de régénération de la ressource.
Les scientifiques soulignent néanmoins que la distinction entre « renouvelable » et « inépuisable » revêt une importance particulière pour l'hydrogène naturel [3]. Le taux de génération de l'hydrogène naturel et son potentiel d'extraction durable demeurent des incertitudes scientifiques clés qui nécessitent davantage de recherches. L'Agence internationale de l'énergie (AIE) précise que la production d'hydrogène doit être durable et ne pas épuiser les réservoirs géologiques plus rapidement qu'ils ne se régénèrent [2].
Une analogie pertinente peut être établie avec la géothermie. Comme cette dernière, l'hydrogène naturel dépend de processus géologiques actifs. Une exploitation excessive pourrait localement dépasser la régénération, mais à l'échelle globale, les réserves demeurent considérables. Cette comparaison aide à conceptualiser les enjeux de durabilité liés à l'exploitation de l'hydrogène naturel.
[LIEN INTERNE : Lien vers article sur la géothermie ()]
Les mécanismes de régénération de l'hydrogène naturel
La question du renouvellement dépend directement de la compréhension des processus géologiques qui produisent l'hydrogène. Ces mécanismes naturels déterminent la capacité de la Terre à régénérer cette ressource et, par conséquent, son caractère potentiellement renouvelable.
La serpentinisation représente l'un des processus les plus importants de production d'hydrogène naturel. Ce processus se produit lorsque l'eau interagit avec des roches ultramafiques riches en fer et magnésium. La réaction chimique qui en résulte libère de l'hydrogène de manière continue tant que de l'eau et des roches réactives sont présentes. Les chercheurs ont démontré que la serpentinisation peut générer continuellement de l'hydrogène aussi longtemps que l'eau et les roches réactives restent disponibles [3]. Ce processus reste actif pendant des millions d'années dans certaines zones tectoniques, notamment au niveau des dorsales océaniques et des zones de subduction.
La radiolyse de l'eau constitue un deuxième mécanisme clé de production d'hydrogène naturel. La désintégration radioactive naturelle des éléments présents dans la croûte terrestre, principalement l'uranium, le thorium et le potassium, produit des radiations qui décomposent les molécules d'eau et libèrent de l'hydrogène. L'USGS indique que la génération continue d'hydrogène par radiolyse fournit une source stable et prévisible sur des échelles de temps géologiques [1]. Contrairement à la serpentinisation qui dépend de conditions géologiques spécifiques, la radiolyse se produit de manière diffuse, mais fortement dépendante de la concentration locale en éléments radioactifs.
Les estimations des taux de production globaux varient considérablement selon les modèles géochimiques utilisés. Les études récentes suggèrent que le flux global d'hydrogène naturel vers la surface terrestre pourrait atteindre 23 millions de tonnes par an [1]. Toutefois, ces estimations comportent de grandes incertitudes liées à la complexité des processus souterrains et au manque de données empiriques à l'échelle mondiale.
La production d'hydrogène naturel présente une forte variabilité géographique. Certaines régions montrent des taux de production significativement plus élevés que d'autres. Les zones de dorsales océaniques, les cratons anciens et les zones de failles actives constituent des environnements particulièrement favorables à la génération d'hydrogène [3]. Cette distribution hétérogène implique que certaines régions du globe pourraient offrir un potentiel d'exploitation beaucoup plus important que d'autres.
Le cas du puits de Bourakébougou au Mali fournit une démonstration empirique de la régénération de l'hydrogène naturel. Après plus de dix ans d'exploitation pour alimenter un village en électricité, ce puits continue de produire de l'hydrogène [4]. Cette observation suggère une régénération active du réservoir, bien que les mécanismes précis et les taux de régénération nécessitent davantage d'études pour être pleinement compris.
Conclusion
L'hydrogène naturel se régénère continuellement grâce à des processus géologiques actifs comme la serpentinisation et la radiolyse, avec des flux estimés pouvant atteindre 23 millions de tonnes par an [1]. Avec des réserves potentielles situées entre 1 et 10 billions de tonnes dans la croûte terrestre [1], cette ressource pourrait représenter une contribution significative aux besoins énergétiques mondiaux sur le long terme, sous réserve de conditions d’exploitation durables. Cependant, la qualification de « renouvelable » dépend fondamentalement de la gestion de l'exploitation : une extraction respectant les taux de régénération locaux peut être considérée comme durable, tandis qu'une exploitation excessive pourrait épuiser localement les réservoirs.
La question de savoir si l'hydrogène naturel est renouvelable ne peut donc recevoir une réponse simple. À l'échelle géologique, les mécanismes de production sont actifs et continus. À l'échelle humaine, la durabilité dépendra des pratiques d'exploitation et de notre capacité à monitorer et gérer cette ressource de manière responsable. L'avantage environnemental de l'hydrogène naturel, notamment son empreinte carbone quasi nulle et la consommation d'eau réduite, en fait une option attractive pour la transition énergétique.
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Références
[1] U.S. Geological Survey. "USGS Releases First Global Assessment of Natural Hydrogen." USGS Newsroom, 15 octobre 2024, www.usgs.gov/news/national-news-release/us-geological-survey-releases-first-global-assessment-natural-hydrogen.
[2] International Energy Agency. "Hydrogen." IEA Energy System, 2024, www.iea.org/energy-system/low-emission-fuels/hydrogen.
[3] Zgonnik, Viacheslav. "The Occurrence and Geoscience of Natural Hydrogen: A Comprehensive Review." Nature Reviews Earth & Environment, vol. 3, 2022, pp. 393-407, doi:10.1038/s43017-022-00292-1.
[4] Prinzhofer, Alain, et al. "Natural Hydrogen Continuous Emission from Sedimentary Basins: The Example of a Brazilian H₂-Emitting Structure." International Journal of Hydrogen Energy, vol. 44, no. 12, 2019, pp. 5676-5685.
[5] International Renewable Energy Agency. "Renewable Energy: A Key Climate Solution." IRENA Publications, 2024, www.irena.org/publications.
[6] Warwick, Nicola J., et al. "Atmospheric Implications for Increased Hydrogen Use." Nature Climate Change, vol. 13, 2023, pp. 649-651, doi:10.1038/s41558-023-01703-3.
