Site de forage d’Hydroma, au Mali. Les équipements sont les mêmes que ceux de l’industrie minière et pétrolière. Photo: Hydroma
Il semble soudainement possible d’extraire de l’hydrogène du sous-sol et de l’exploiter. Sommes-nous à la veille d’une ruée ?
En 1987, un forage prend une tournure inattendue à Bourakébougou, au Mali. L’objectif n’a pourtant rien d’inédit : creuser un puits pour approvisionner en eau ce village à une soixantaine de kilomètres de la capitale, Bamako. Lorsque l’excavation dépasse cent mètres de profondeur, ce qui ressemble à un courant d’air remonte du puits. Un foreur s’allume une cigarette… et provoque une explosion ! Dans la stupeur, le puits est fermé, cimenté et condamné.
Photo: Hydroma
Vingt ans s’écoulent. En 2007, l’entreprise Petroma, aujourd’hui rebaptisée Hydroma et dont le siège social est enregistré à Montréal, revient sur les lieux, acquiert les droits de prospecter et se risque à rouvrir le puits. Le politicien et homme d’affaires malien Aliou Boubacar Diallo, président fondateur de la compagnie, fait appel à l’entreprise albertaine Chapman Petroleum Engineering pour analyser ce fameux « courant d’air ». Résultat : il est composé à 98 % d’hydrogène ! L’occasion est trop belle : de l’équipement est installé dès 2012 pour convertir cet hydrogène en électricité.
Car comme source d’énergie, l’hydrogène a tout pour plaire : qu’il soit utilisé comme carburant ou converti en électricité, il n’émet aucun carbone et ne produit que de l’eau. Il figure depuis longtemps sur la liste des solutions pour remplacer les hydrocarbures. Mais on était loin d’imaginer en trouver simplement en creusant dans le sol.
Très abondantes dans l’Univers, les molécules d’hydrogène (en fait sous forme de dihydrogène : H2) sont très petites et légères. On pensait donc qu’elles n’étaient retenues ni par le roc ni par la gravité terrestre, et qu’elles s’échappaient dans l’espace. L’hydrogène devait a priori être obligatoirement fabriqué. Les 97 millions de tonnes produites chaque année, et en grande partie utilisées pour le raffinage du pétrole et la production d’engrais, sont obtenues par des procédés chimiques.
Quand le géologue Stephan Séjourné entend parler de Bourakébougou en 2017, il réalise des cartographies au Burkina Faso, le pays voisin. « Au départ, je m’étais dit que ça devait être une arnaque pour les investisseurs », se rappelle le président de la compagnie Enki GéoSolutions, qui étudie désormais l’hydrogène naturel en tant que professeur associé à l’Institut national de la recherche scientifique (INRS). Et il n’était pas le seul sceptique.
« Quand Aliou Boubacar Diallo parlait de ses mesures, les gens ne le croyaient pas », se rappelle le géochimiste français Alain Prinzhofer, qui a été invité au Mali après avoir publié un livre sur l’hydrogène naturel. « La première fois que je suis allé sur le site, mon rôle était très simple : faire des prélèvements de ce gaz pour certifier sa composition », explique-t-il. Les analyses confirment qu’il s’agit bien d’hydrogène presque pur, et le scientifique les publie en 2018 dans International Journal of Hydrogen Energy.
Son article crée une onde de choc ! L’engouement est immédiat, puisque l’hydrogène est sérieusement envisagé pour décarboner des industries et des moyens de transport lourds, comme les camions, les trains et les avions.
Rystad Energy, un organisme indépendant de recherche dans le secteur de l’énergie basé en Norvège, estime qu’une quarantaine d’entreprises cherchent aujourd’hui des gisements d’hydrogène sous terre. Parmi elles, MAX Power et Quebec Innovative Materials Corp. ont déclaré durant l’été 2024 avoir trouvé des concentrations intéressantes respectivement dans le sud de la Saskatchewan et en Abitibi-Témiscamingue. Des annonces qui s’ajoutent à celles qui se multiplient depuis deux ans dans le reste du monde et qui éveillent l’intérêt des financiers. À elle seule, l’entreprise Koloma a levé plus de 336 millions de dollars américains pour faire de l’exploration aux États-Unis. Parmi ses investisseurs, elle compte les fonds destinés aux énergies propres appartenant à Bill Gates, à Amazon et à United Airlines…
L’enthousiasme a aussi gagné les gouvernements. La France, la Colombie, les Philippines ainsi que des États de l’Australie ont revu leur loi pour accorder des permis d’exploration. Depuis 2022, la Commission géologique du Canada cartographie les endroits où l’on pourrait trouver de l’hydrogène.
L’organisation fédérale a fait appel à l’expertise de Barbara Sherwood Lollar, professeure au Département des sciences de la Terre de l’Université de Toronto. Car depuis des décennies, la chercheuse étudie les environnements souterrains dans lesquels les bactéries se nourrissent… d’hydrogène ! « C’est assez récent que l’humain essaie de concurrencer les microbes pour le même stock », lance-t-elle à la blague. Jusqu’ici, ses travaux ont surtout été financés par les agences spatiales, qui se demandent à quoi pourraient ressembler d’éventuels microbes sur d’autres planètes, mais ses résultats sont désormais cités dans la plupart des articles scientifiques abordant l’extraction d’hydrogène naturel.
Hydroma poursuit ses campagnes d’exploration et d’analyses géologiques autour du site de forage. Ici, les équipes acquièrent des données sismiques. Photo: Hydroma
Quand l’eau rencontre la roche
Dès la décennie 1980, lorsqu’elle était doctorante à l’Université de Waterloo, Barbara Sherwood Lollar a voulu comprendre la corrosion observée dans des mines et a ainsi découvert de l’hydrogène sous terre. D’abord dans une mine ontarienne, puis en Finlande, en Suède et en Afrique du Sud.
Plusieurs mécanismes géologiques peuvent être à la source de cet hydrogène, mais deux d’entre eux retiennent l’attention de la géochimiste. Il y a d’abord la radiolyse de l’eau. Celle-ci survient lorsque de l’eau entre en contact avec des roches naturellement radioactives, qui contiennent de l’uranium, du thorium ou du potassium. Les radiations séparent alors les molécules d’eau (H2O) en oxygène et en hydrogène.
Autre mécanisme fréquent : la serpentinisation. Elle se produit lorsque des roches riches en fer et en magnésium s’oxydent au contact de l’eau à haute température. Ces roches capturent alors l’oxygène et libèrent de l’hydrogène. Un phénomène observé dans les sources hydrothermales au fond des océans, et qui a aussi lieu dans les profondeurs de la croûte terrestre.
Restait à savoir si cet hydrogène pouvait ensuite migrer dans le sol, puis rester piégé et s’accumuler par endroits. Toujours durant son doctorat, Barbara Sherwood Lollar a étudié d’anciens puits de pétrole du sud-ouest de l’Ontario et a conclu qu’il se formait des réservoirs. « C’était le dernier chapitre de ma thèse. Je croyais que je n’y penserais plus jamais, et c’est soudainement devenu un enjeu brûlant. »
Maria Luisa Moreira Dos Santos (INRS) teste une nouvelle méthode de mesure. Photo: Maria Luisa Moreira Dos Santos
Canada, terre d’hydrogène ?
Si les mécanismes géologiques à l’origine de l’hydrogène trouvé à Bourakébougou demeurent inconnus, les trois réservoirs sous ce village sont bien documentés : l’hydrogène y est contenu grâce à la présence de roches magmatiques appelées dolérites.
Omid Haeri Ardakani, scientifique à la Commission géologique du Canada, voit un potentiel similaire dans les provinces des prairies. Plusieurs couches de sédiments pourraient former dans le bassin de Williston une couverture emprisonnant l’hydrogène produit par les roches radioactives du sous-sol. Cela n’empêche pas l’organisation fédérale de voir plus large. « On a commencé à recueillir les données de toutes les industries gazières au Canada, y compris au Québec, explique Omid Haeri Ardakani. Beaucoup de leurs mesures font état de la présence d’hydrogène, considérée sur le moment comme une anomalie. »
Une démarche qui n’est pas sans rappeler celles de géologues en Australie, qui ont consulté les archives gouvernementales et ont découvert que les compagnies pétrolières y avaient documenté, sans vraiment s’y intéresser, des concentrations d’hydrogène dès la décennie 1920.
Une équipe de l’INRS a quant à elle évalué le potentiel du sous-sol au Québec, un travail qu’elle a publié en mars 2024 dans Frontiers in Geochemistry. « Le potentiel géologique est très intéressant, parce qu’il est diversifié », souligne Stephan Séjourné, auteur principal de l’article. Parmi les régions qui retiennent son attention, il y a l’Abitibi, l’Estrie et la Gaspésie, ainsi que les collines Montérégiennes et les bassins de Mistassini et des monts Otish. L’examen des bases de données hydrogéochimiques du sud du Québec indique aussi que des fluides profonds remontent dans certains secteurs. Ce serait le cas le long de la faille de la rivière Jacques-Cartier près de Saint-Édouard-de-Lotbinière. Cette faille permet-elle à de l’hydrogène de remonter près de la surface ? Maria Luisa Moreira Dos Santos, doctorante à l’INRS, y a passé une semaine à l’été 2024 pour y mesurer les concentrations de gaz dans le sol à l’aide d’une nouvelle méthode. « Il faut encore traiter les données, mais on est optimistes : il est possible qu’il y ait des flux d’hydrogène naturel », dit celle qui a aussi pris de telles mesures en Montérégie et en Estrie.
Dans des rapports remis en juin 2024, l’équipe de l’INRS a recommandé au gouvernement du Québec de valider la présence de ce gaz sur le terrain et de développer des outils et des techniques d’exploration appropriés. Ce groupe suggère aussi de mettre à jour le cadre réglementaire « pour éviter que ce soit le far west », souligne Stephan Séjourné.
« C’est important qu’on commence à s’y intéresser, juge Jasmin Raymond, professeur en hydrogéologie à l’INRS, qui a supervisé l’étude. Est-ce qu’il y a des concentrations d’hydrogène suffisamment appréciables dans le sol pour qu’on puisse les exploiter de façon commerciale ? On n’a pas encore la réponse. »
Beaucoup d’incertitudes
En fait, le potentiel de ces « gisements » reste difficile à évaluer partout. Bourakébougou demeure à ce jour le seul exemple d’exploitation de cette ressource. Et sa taille est modeste, la centrale-pilote n’alimentant que le village.
« Il faut mettre en perspective les quantités produites, qui sont très faibles comparativement à ce dont on pourrait avoir besoin ou à ce que produit un forage gazier classique », souligne Laurent Truche, professeur à l’Institut des sciences de la Terre de l’Université Grenoble Alpes.
Dans la revue Science en 2024, ce chercheur a documenté les émanations les plus abondantes connues : 200 tonnes d’hydrogène qui s’échappent chaque année d’une mine souterraine de chromite en Albanie. Mais il modère les attentes. Selon lui, il n’y a encore aucune preuve que l’hydrogène puisse être extrait du sous-sol en quantité suffisante « pour décarboner ne serait-ce qu’une seule petite usine pétrochimique ou une seule aciérie ». À son avis, les choses deviendront sérieuses lorsqu’on découvrira des sites d’où on pourra tirer… 10 000 tonnes par an. « Pour l’instant, on ne sait pas si ça existe. »
« Il y a encore énormément de recherche à faire sur l’hydrogène naturel. On en est au début », concède Éric Gaucher, qui codirige un groupe de travail sur le sujet à l’Agence internationale de l’énergie. Ce groupe, réunissant 35 spécialistes des milieux universitaires et industriels, réalise une veille des développements dans le secteur, mais souhaite aussi guider les gouvernements dans leurs investissements. « Il faut convaincre les agences de financement qu’il faut des fonds spécifiques pour l’hydrogène naturel, avec des projets évalués par des experts du domaine. » Ce qui n’est pas le cas pour l’instant.
Renouvelable ou pas ?
Parmi les questions en suspens, il en reste une de taille : l’hydrogène naturel constitue-t-il une ressource renouvelable ? Cela paraît contre-intuitif, mais l’expérience de Bourakébougou a lancé le débat.
En effet, une fois l’exploitation lancée, les manomètres à la tête des puits indiquaient une pression constante. « À un moment donné, la pression s’est même mise à augmenter, ce qui n’avait aucun sens pour une réserve fossilisée », signale Alain Prinzhofer. Dans le cas des hydrocarbures, la pression baisse au fur et à mesure qu’une réserve exploitée se tarit. Or, après 11 ans de production au Mali, la pression a augmenté de 4,5 à 5 bars, ce qui laisse penser que les réservoirs se sont progressivement rechargés. Un constat publié en 2023 dans Scientific Reports. « Il semble donc que l’hydrogène soit renouvelable à une échelle de temps humain », juge le géochimiste.
Il y aurait d’ailleurs des zones où la roche produit de l’hydrogène en continu. Ce serait le cas dans les Pyrénées, région qu’Éric Gaucher a étudiée pendant 10 ans lorsqu’il travaillait chez Total et qui a été décrite en 2022 dans Applied Geochemistry. L’entreprise d’exploration Lavoisier H2 Geoconsult, qu’il a fondée, y est partenaire minoritaire d’un permis d’exploration. Dans ces montagnes, l’eau issue de la pluie ou de la fonte des glaciers s’infiltrerait dans le sol jusqu’à atteindre des roches riches en fer libérant de l’hydrogène à son contact. « Tant que votre boucle hydrothermale fonctionne, vous êtes sur une source renouvelable à une échelle de temps humain. Est-ce que ça se renouvelle à la bonne vitesse pour que ce soit intéressant économiquement ? Ça fait partie des inconnues », ajoute le chercheur entrepreneur, avant de préciser qu’il est possible de tomber sur des stocks fossiles à certains endroits et sur des sources renouvelables à d’autres.
Laurent Truche n’est pas de cet avis. « Sur la base des connaissances actuelles, je conteste cette idée que l’hydrogène géologique serait renouvelable », lance le géochimiste. Selon lui, des pistes pour expliquer l’augmentation de la pression à Bourakébougou, comme un possible changement de niveau de la nappe phréatique, n’ont pas été explorées. Il ajoute qu’à part ce cas, la littérature scientifique fait plutôt état d’une vitesse de production d’hydrogène lente, y compris lors de la serpentinisation.
De l’eau dans le gaz ?
Que cet hydrogène soit renouvelable ou pas, l’exploiter exigera aussi de relever des défis techniques parfois complexes. Les technologies actuelles devraient permettre de tirer profit d’hydrogène quasi pur, sous pression et disponible sous forme gazeuse, comme celui trouvé à Bourakébougou. Ailleurs, des annonces font plutôt état d’hydrogène dissous dans de l’eau, ce qui demanderait des opérations de pompage, de dégazage et de drainage.
Et même lorsqu’il est trouvé sous forme gazeuse, l’hydrogène vient rarement seul et doit être purifié. Il est parfois accompagné de gaz très recherchés, comme l’hélium, mais aussi de gaz qu’on ne souhaite pas faire remonter en surface. « Certaines ressources pourraient produire plus de méthane que d’hydrogène, ce qui serait nocif pour le climat », prévient Omid Haeri Ardakani.
Adam Brandt, professeur en science de l’énergie et en ingénierie de l’Université Standford, a d’ailleurs écrit une mise en garde dans un article publié en 2023 dans Joule. Dans un scénario où la ressource serait composée à 75 % d’hydrogène et à 22,5 % de méthane, ses calculs concluent que, pour chaque kilogramme d’hydrogène extrait, l’équivalent de 1,5 kg de CO2 s’échapperait dans l’atmosphère… Son analyse de cycle de vie indique tout de même que l’hydrogène naturel constitue une source d’énergie propre quand sa teneur avoisine 85 %.
Mais le réchauffement de la planète demande d’agir de manière urgente, et il faut encore plusieurs années de recherche pour dresser un tableau clair. « L’hydrogène naturel ne peut pas être considéré comme un game changer par rapport aux changements climatiques et à nos politiques énergétiques », estime par conséquent Laurent Truche.
Il reste aussi à éclaircir les effets de la démarche extractive. La question de l’acceptabilité sociale est venue à l’esprit de Jasmin Raymond lorsque son équipe a décelé un potentiel dans les basses-terres du Saint-Laurent et les collines Montérégiennes. « C’est certain qu’avec des travaux de forage profond, il y a des répercussions environnementales à prévoir. Il faudra notamment s’assurer qu’il n’y a pas de contamination des ressources en eau plus en surface, dit-il. Le but premier est que la filière hydrogène contribue à la réduction des gaz à effet de serre, mais sa répercussion environnementale ne doit pas se faire au détriment des populations locales. » Mieux vaut donc se montrer prudent avant de forer un puits qu’on risquerait de vouloir refermer.
Comment peut-on obtenir de l’hydrogène ?
À partir de sources fossiles
Actuellement, 95 % de l’hydrogène produit est fabriqué à partir de sources fossiles. Le procédé le plus courant reste le vaporeformage du gaz naturel : avec de la vapeur d’eau (H2O) et du gaz naturel, surtout composé de méthane (CH4), on provoque une réaction à haute température qui décompose ces deux molécules et les réassemble en hydrogène (H2) et en dioxyde de carbone (CO2). Cette méthode relâche l’équivalent de 9 kg de CO2 dans l’atmosphère pour chaque kilogramme d’hydrogène produit. Quelques rares projets enfouissent le CO2 ainsi généré dans le sol.
Par électrolyse de l’eau
À l’aide d’un courant électrique, on scinde les molécules d’eau (H2O) en oxygène (O2) et en hydrogène (H2). En principe, ce procédé émet beaucoup moins de gaz à effet de serre. Cela explique pourquoi le gouvernement du Québec l’a mis au centre d’une stratégie dévoilée en 2022. Mais cette technique exige une quantité colossale d’eau et d’électricité, au point que sa pertinence et sa viabilité économique sont constamment remises en question. De plus, l’électricité provient parfois de sources non renouvelables.
À partir des mécanismes géologiques
L’interaction entre l’eau et la roche produit naturellement de l’hydrogène sous terre. Certains projets cherchent à stimuler ces mécanismes géologiques, plus spécialement la serpentinisation, en injectant de l’eau dans des roches souterraines et des déchets miniers. Éric Gaucher expérimente cette approche avec l’Université de Lyon dans un projet mené par l’Université Texas Tech, auquel collabore aussi la minière canadienne Rio Tinto, et qui a reçu 1,6 million de dollars américains du département de l’Énergie des États-Unis. Le gouvernement américain a financé quinze autres projets dans la même veine avec une enveloppe totale de 20 millions.
Mise à jour 12 décembre 2024: Dans une version précédente de l’article, on ne mentionnait pas que Lavoisier H2 Geoconsult était partenaire minoritaire du permis d’exploration.
