Hydrogène et gaz rares

Sommaire de ce numéro

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  Editorial  

  Actualité 

• Rapport du BRGM : Atlas des substances critiques et stratégiques
• Rapport de l’ADEME : Plan de transition sectoriel de l’industrie cimentière en France
• La pyrite dans les terres excavées du Grand Paris Express
• Le livre blanc de l’AFPG à destination des politiques
• La Global Electricity Review 2022 du think tank Ember
• La lettre ADEME Stratégie de mars 2022, consacrée à l’artificialisation des sols
• Le projet « De l’Eau pour Demain »
• Une nouvelle carte hydrogéologique de l’Afrique de l’Ouest
• Rapport de l’UNESCO (WWDR 2022) : Eaux souterraines ; rendre visible l’invisible
• Nouvel accord de partenariat entre le BRGM et le Conservatoire du Littoral
• « One Ocean Summit » : L’UNESCO s’engage à cartographier 80 % des fonds marins d’ici 2030

  Hommage 

• Gérard Sustrac - Michel Bornuat
  
• Patrick Renoux, géologue d'exception - Pierre Andrieux et Frank Hanot

  Décryptage  

• L’Europe peut-elle se passer du gaz naturel russe ? Marc Blaizot

  Regard sur  

• Simulation hydrodynamique des effets des changements climatiques sur la nappe de Mateur (nord de la Tunisie) - Besma Tlili Zrelli, Mounira Zammouri, Houda Rzigui, Rachida Bouhlila et Moncef Gueddari

La nappe de Mateur représente une ressource importante pour satisfaire les besoins en eau pour l’irrigation de la plaine alluviale de Mateur, située dans le nord de la Tunisie, et pour la desserte en eau potable de la région avoisinante de Bizerte. Dans le but de mieux appréhender la problématique de la gestion et de la planification des eaux de cette nappe dans le contexte du changement climatique, un modèle hydrogéologique a été élaboré en utilisant le code Modflow. Les résultats montrent que les niveaux piézométriques diminuent de 0.8 à 9 m pour l’année 2030 et de 1. 4 à 11.8m pour l’année 2050

  Jeune entreprise  

• Tellus Environment : Cartographier l’invisible pour agir - François Leparmentier avec Geoffroy Etaix, CEO de Tellus Environment

  Dossier  : Hydrogène et gaz rares  

LL’HYDROGÈNE ET LES GAZ RARES, AUJOURD’HUI ET DEMAIN

• Les différents usages de l’hydrogène - Denise Méry
  

Depuis plus de 50 ans Air Liquide a développé une expertise unique et maîtrise l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement, de la production à la distribution, de l’hydrogène en tant que vecteur d’énergie propre pour une large gamme d’applications. Il en est l’un des premiers producteurs mondiaux. Cet article décrit l’ensemble de la chaîne de valeur de l’hydrogène, avec un focus particulier sur les usages, sans oublier les défis qui restent à relever.

• Les usages des gaz rares - Marc Blaizot

Les gaz rares naturels, appelés aussi gaz inertes ou gaz nobles, sont au nombre de 6 (He, Ne, Ar, Kr, Xe et Rn). Ils ont de nombreuses applications, en particulier : réfrigérants cryogéniques, applications nécessitant une atmosphère chimiquement inerte, éclairage, gaz respiratoires et médecine.

• L’Hydrogène : quelle production et quelle place dans le mix énergétique européen en 2040 ?  Virginie Davoult et Pierre-Louis Pernet

L’agenda climatique et la sécurité d’approvisionnement énergétique imposent d’inclure l’hydrogène dans le mix énergétique européen. Les politiques publiques ont redéfini un cadre réglementaire visant à baisser les coûts de production et favoriser l’émergence d’un hydrogène vert compétitif pour une pénétration des secteurs industriels très consommateurs d’énergie et fortement émetteurs de CO₂ (acier, ciment et pétrochimie). Les marchés visés à court et moyen terme sont les transports longue distance (e.g secteur maritime) et les poids lourds. La vision prospective de TotalEnergies est une explosion de la consommation d’hydrogène entre 2030 et 2050 pour atteindre 19% de la consommation énergétique totale en Europe et remplir les objectifs européens de réduction des émissions.

LES GAZ RARES OU NOBLES AU SERVICE DES GÉOSCIENCES

• Les gaz nobles comme traceurs d’origine et de circulation des fluides continentaux - Bernard Marty et Raphaël Pik

Les fluides circulant dans la croûte terrestre ont des origines variées et des histoires géologiques compliquées. Les gaz nobles (ou gaz rares) contenus dans ces fluides comportent plusieurs isotopes ayant des origines différentes telles que le manteau, la croûte terrestre, les sédiments, l’atmosphère. La mesure de leurs abondances élémentaires et isotopiques permet d’estimer les contributions de ces réservoirs naturels à la composition des fluides et fournit également des informations sur l’histoire géologique de ces fluides.

• Les gaz rares comme outils d’exploration des systèmes géothermaux - Daniele L. Pinti et Marion Saby

Les gaz rares permettent de tracer les sources de fluides dans les systèmes géothermaux. En effet, ces gaz sont chimiquement inertes : leur composition élémentaire et isotopique ne peut pas être modifiée par des réactions chimiques et représente donc généralement celle du réservoir terrestre constituant leur source, à savoir l’atmosphère, le manteau et la croûte terrestre. Ces gaz peuvent également contribuer à la surveillance d’un système géothermal lors de son exploitation en permettant la détection des eaux de ré-injection.

• L’hélium, un gaz rare… et cher ! - Benoît Hauville
  

Sur Terre l’hélium est rare et se rencontre très difficilement sous forme concentrée. Il est représenté par deux isotopes : ⁴He issu de la désintégration radioactive des isotopes de l’uranium et du thorium, qui représente la quasi-intégralité de l’hélium produit et utilisé, et ³He dit primordial car il aurait été fabriqué lors du Big Bang. Pour qu’un gisement se génère, il faut une migration primaire (l’hélium va, par diffusion, migrer du minéral où il a été généré vers la porosité de la future roche mère – principalement des granites précambriens) suivie d’une migration secondaire (transfert de la roche mère via un fluide vecteur). La presque totalité de l’hélium produit est associée à du gaz naturel, biais exploratoire lié au fait que l’hélium n’était pas la ressource premièrement visée. Les contextes riches en N2 et/ou CO₂, représentent pourtant un potentiel important qu’il conviendra de considérer ou revisiter. Actuellement la production et la demande mondiale avoisinent l’équilibre mais le marché est néanmoins extrêmement tendu. 45-8 ENERGY a obtenu en juin 2021 un PER sur un site localisé dans la Nièvre.

L’HYDROGÈNE : ORIGINE, HABITAT ET EXPLORATION

•  L’hydrogène primordial - Hervé Toulhoat et Viacheslav Zgonnik

Dans cet article sont résumés les arguments en faveur d’une origine primordiale d’une fraction significative des émissions d’hydrogène naturel. Le point de départ de cette réflexion est la découverte vers 2010 par V. Larin de multiples sites d’émission en plein domaine continental cratonique : le processus de serpentinisation ne pouvait être invoqué pour expliquer ces émissions, et l’hypothèse d’une origine profonde devait être sérieusement examinée. Les auteurs ont alors proposé une théorie de la différenciation chimique des planètes corroborée par les données de composition moyenne de surface collectées depuis les débuts de l’ère de l’exploration spatiale. Cette théorie va notamment dans le sens d’une « Terre hydrurée » et conforte l’hypothèse d’une origine très profonde des émissions d’H₂ naturel, la source en étant principalement l’hydrogène primordial très abondant dans le plasma protoplanétaire, et susceptible de se lier chimiquement lors de la condensation des planétésimaux. Les sources de dégazage sur la surface de la Terre doivent donc être inépuisables parce que le « réservoir » est à l’échelle planétaire.

•  ORHYON, une chaire dédiée à la compréhension de la réactivité biogéochimique de l’hydrogène dans les milieux poreux naturels, du sous-sol profond à la surface - Arnaud Pujol, Olivier Lhote et Anthony Ranchou-Peyruse

La chaire ORHYON,lancée en partenariat avec Engie, est la première chaire de recherche dans le domaine des géosciences financée dans le cadre de l’appel à projet Chaire ANR industrielle. Ses objectifs visent à mieux comprendre les mécanismes régissant le transport et la rétention de dihydrogène (H₂) dans les formations géologiques, à mettre au point des outils et méthodologies permettant de qualifier les projets à venir de stockage de H₂ en milieu poreux, à préciser le potentiel du H₂ natif comme ressource énergétique et à fournir des guides pour l’exploration en vue de son exploitation.

•  À la recherche de l’hydrogène natif : de nouvelles orientations pour l’exploration - Laurent Truche, Frederic-Victor Donzé, Camille Dusséaux, Nicolas Lefeuvre, Fabrice Brunet et Benjamin Malvoisin

La molécule d‘hydrogène est présente dans la croûte terrestre dans des contextes géologiques reconnus (dorsales océaniques, massifs ophiolitiques à terre…) mais parfois moins attendus : les intrusions magmatiques peralcalines et de bassins sédimentaires. La compréhension des mécanismes de génération est mal maîtrisée mais les observations et mesures sur les bassins sédimentaires aux USA (Kansas), en Chine (Sichuan,Tengchong),au Mali (Taoudenni) et même en France (Pyrénées) montrent des indices d’un hydrogène naturel.De même cet hydrogène est observé aux côtés de gaz abiotiques dans les intrusions peralcalines en Russie (péninsule de Kola),au Canada (Strange Lake),… avec un mécanisme de génération bien distinct. Si l’exploration des ressources en hydrogène n’en est qu’à ses débuts, ces observations ouvrent un champ beaucoup plus large et il est trop tôt pour se limiter aux seules zones reconnues comme fertiles et il est urgent de structurer un guide de prospection méthodique.

•  Génération d’hydrogène par les jeunes croûtes océaniques : les cas de l’Islande et de la zone de l’Afar - Gabriel Pasquet, Valentine Combaudon et Isabelle Moretti

La présence d’hydrogène gazeux en contexte d’ouverture océanique est avérée depuis longtemps. La réduction de l’eau et l’oxydation des roches mantelliques semblent être un des moteurs. Dans le contexte de l’Islande, les gaz s’échappant des fumerolles contiennent généralement une fraction d’hydrogène. Les flux estimés d’hydrogène mesurés le long de la dorsale atlantique et au droit des sites islandais diffèrent ; pas uniquement pour des raisons de lithologie, mais probablement pour d’autres facteurs. La dépression des Afars (Djibouti), de par l’intense activité magmatique et la possibilité d’altération des basaltes (failles crustales, eaux acides) riches en fer, est un site privilégié pour la production d’hydrogène dans la proche surface. Une étude comparative des deux sites permet de mettre en avant deux paramètres clefs qui contrôleraient le mécanisme de génération : la salinité de l’eau et la quantité
d’eau disponible.

•  L’hydrogène naturel, une nouvelle source d’énergie décarbonée et renouvelable, compétitive face aux hydrocarbures - Alain Prinzhofer et Christophe Rigollet

L’hydrogène actuellement sur le marché est d’origine manufacturée. Or l’hydrogène naturel est moins cher que l’hydrogène manufacturé et n’émet pas de CO₂ ; il serait donc un complément idéal de l’hydrogène produit par électrolyse dans un mix énergétique décarboné, d’autant que les émanations d’hydrogène naturel en surface montrent que la ressource est largement répartie sur tous les continents, dans des contextes géologiques variés. Un exemple est le champ de Bourakébougou (Mali) qui représente le premier gisement d’hydrogène naturel étudié tant scientifiquement qu’industriellement et qui nous renseigne sur la renouvelabilité des flux naturels mis en jeu et donc sur leur exploitation soutenable.

•  Le gisement de gaz de Vaux-en-Bugey : une exploration et une production centenaires pourraient devenir un site pilote pour la production et le stockage de l’hydrogène - Jean-François Deronzier et Hélène Giouse

La découverte et la production du petit gisement de Vauxen- Bugey interpellent par la nature du gaz produit : jusqu’à 5% d’hydrogène et 0,096% d’hélium. Les différents mécanismes de génération de cet hydrogène sont envisagés.On note toutefois l’absence de séries géologiques riches en fer. Il faut donc chercher un mécanisme alternatif à l’oxydoréduction : soit la radiolyse de l’eau, soit la friction des roches. Difficile de conclure sur la source, toutefois les observations et mesures des volumes de gaz (hydrogène et hélium) demeurent et l’exploration doit être menée avec rigueur. On pourrait alors utiliser ce petit champ comme un petit laboratoire du développement de la filière hydrogène en France.

•  Une découverte d’hydrogène naturel dans les Pyrénées-Atlantiques, première étape vers une exploration industrielle - Eric C. Gaucher

Le contexte de la chaîne pyrénéenne présente toutes les composantes d’un système hydrogène tel qu’il est compris actuellement. Les lherzolites en surface indiquent un fonctionnement passé d’un mécanisme de génération d’hydrogène par serpentinisation. Le contexte postorogénique est favorable au développe