On pense généralement que l’élément le plus abondant dans l’univers, l’hydrogène, existe principalement aux côtés d’autres éléments – avec l’oxygène dans l’eau, par exemple, et avec le carbone dans le méthane. Mais les poches souterraines naturelles d’hydrogène pur perdent cette notion et attirent l’attention en tant que source potentiellement illimitée d’énergie sans carbone.
L’une des parties intéressées est le Département américain de l’Énergie, qui a accordé le mois dernier 20 millions de dollars de subventions de recherche à 18 équipes de laboratoires, d’universités et d’entreprises privées pour développer des technologies pouvant conduire à un carburant propre et bon marché à partir du sous-sol.
L'hydrogène géologique, comme on l'appelle, est produit lorsque l'eau réagit avec des roches riches en fer, provoquant l'oxydation du fer. L'un des bénéficiaires de la subvention, le groupe de recherche du professeur adjoint Iwnetim Abate du MIT, utilisera sa subvention de 1,3 million de dollars pour déterminer les conditions idéales pour produire de l'hydrogène sous terre, en tenant compte de facteurs tels que 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.
L'US Geological Survey estime qu'il existe potentiellement des milliards de tonnes d'hydrogène géologique enfouies dans la croûte terrestre. Des accumulations ont été découvertes dans le monde entier et de nombreuses startups recherchent des gisements extractibles. Abate cherche à relancer le processus de production d’hydrogène naturel, en mettant en œuvre des approches « proactives » qui impliquent de stimuler la production et de récolter le gaz.
«Nous visons à optimiser les paramètres de réaction pour accélérer la réaction et produire de l'hydrogène d'une manière économiquement réalisable», explique Abate, professeur de développement Chipman au Département de science et d'ingénierie des matériaux (DMSE). Les recherches d'Abate se concentrent sur la conception de matériaux et de technologies pour la transition vers les énergies renouvelables, notamment les batteries de nouvelle génération et de nouvelles méthodes chimiques pour le stockage de l'énergie.
Stimuler l’innovation
L’intérêt pour l’hydrogène géologique augmente à un moment 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 fournir un financement pour explorer l’hydrogène naturel. Et en février, des témoins du gouvernement et du secteur privé a informé les législateurs américains sur les opportunités d’extraction de l’hydrogène du sol.
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 qui réchauffe la Terre. « Hydrogène vert« , produit avec des énergies renouvelables, est prometteur, mais à 7 dollars le kilogramme, c'est cher.
« Si vous obtenez de l'hydrogène à un dollar le kilo, il est compétitif par rapport au gaz naturel sur la base du prix de l'énergie », déclare Douglas Wicks, directeur de programme à l'Advanced Research Projects Agency – Energy (ARPA-E), l'organisation du ministère de l'Énergie qui dirige le programme de subventions pour l’hydrogène géologique.
Les destinataires du Bourses ARPA-E comprennent la Colorado School of Mines, la Texas Tech University et le Los Alamos National Laboratory, ainsi que des sociétés privées, dont Koloma, une startup de production d'hydrogène qui a reçu un financement d'Amazon et de Bill Gates. Les projets eux-mêmes sont divers, allant de l’application de 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. Le but : répondre à des questions dans ce que Wicks appelle un « espace blanc total ».
« Dans l'hydrogène géologique, nous ne savons pas comment accélérer sa production, car il s'agit d'une réaction chimique, et nous ne comprenons pas non plus vraiment comment concevoir le sous-sol afin de pouvoir l'extraire en toute sécurité », explique Wicks. « Nous essayons de faire appel aux meilleures compétences de chacun des différents groupes pour travailler là-dessus, avec l'idée que l'ensemble devrait être capable de nous donner de bonnes réponses dans un délai assez rapide. »
Le géochimiste Viacheslav Zgonnik, l'un des plus grands experts dans le domaine de l'hydrogène naturel, reconnaît que la liste des inconnues est longue, tout comme le chemin vers les premiers projets commerciaux. Mais il affirme que les efforts visant à 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 de pouvoir produire de l'hydrogène à la demande dans des endroits spécifiques », explique Zgonnik, PDG et fondateur de Natural Hydrogen Energy, une startup basée à Denver qui possède des baux miniers pour le forage exploratoire. aux Etats-Unis. « Si nous parvenons à atteindre cet objectif, cela signifie que nous pouvons potentiellement remplacer les combustibles fossiles par de l’hydrogène stimulé. »
« Un moment de bouclage de la boucle »
Pour Abate, le lien avec le projet est personnel. Quand il était enfant dans sa ville natale en Éthiopie, les pannes de courant étaient monnaie courante : les lumières étaient éteintes trois, voire quatre jours par semaine. Des bougies vacillantes ou des lampes à pétrole émettant des polluants étaient souvent la seule source de lumière pour faire ses devoirs la nuit.
« Et pour le ménage, nous devions utiliser du bois et du charbon de bois pour des tâches comme la cuisine », explique Abate. « C'était mon histoire jusqu'à la fin du lycée et avant de venir aux États-Unis pour l'université. »
En 1987, des foreurs de puits forent de l'eau au Mali en Afrique de l'Ouest découvert un gisement naturel d'hydrogène, provoquant une explosion. Des décennies plus tard, l’entrepreneur malien Aliou Diallo et sa société pétrolière et gazière canadienne ont exploité le puits et utilisé un moteur pour brûler de l’hydrogène et alimenter en électricité le village voisin.
Abandonnant le pétrole et le gaz, Diallo a lancé Hydroma, la première entreprise mondiale d'exploration de l'hydrogène. La société fore des puits à proximité du site d’origine qui ont produit de fortes concentrations de gaz.
« Ainsi, ce qui était autrefois considéré comme un continent pauvre en énergie génère désormais de l’espoir pour l’avenir du monde », déclare Abate. « Apprendre cela a été pour moi une boucle bouclée. Bien entendu, le problème est mondial ; la solution est globale. Mais ensuite, le lien avec mon parcours personnel, ainsi que la solution venant de mon continent d’origine, me connectent personnellement au problème et à la solution.
Des expériences à grande échelle
Abate et les chercheurs de son laboratoire élaborent une recette pour un fluide qui induira la réaction chimique qui déclenche la production d'hydrogène dans les roches. L’ingrédient principal est l’eau, et l’équipe teste des matériaux « simples » pour des catalyseurs qui accéléreront la réaction et augmenteront ainsi la quantité d’hydrogène produite, explique le postdoctorant Yifan Gao.
« Certains catalyseurs sont très coûteux et difficiles à produire, nécessitant une production ou une préparation complexe », explique Gao. « Un catalyseur peu coûteux et abondant nous permettra d'augmenter le taux de production. De cette façon, nous le produirons à un rythme économiquement réalisable, mais également avec un rendement économiquement réalisable. »
Les roches riches en fer dans lesquelles se produit la réaction chimique se trouvent partout aux États-Unis et dans le monde. Pour optimiser la réaction dans une diversité de compositions et d'environnements géologiques, Abate et Gao développent ce qu'ils appellent un système à haut débit, composé de logiciels d'intelligence artificielle et de robotique, pour tester différents mélanges de catalyseurs et simuler ce qui se passerait lorsqu'ils seraient appliqués aux roches de diverses régions, avec différentes conditions externes comme la température et la pression.
« Et à partir de là, nous mesurons la quantité d'hydrogène que nous produisons pour chaque combinaison possible », explique Abate. « Ensuite, l'IA apprendra des expériences et nous suggérera : 'Sur la base de ce que j'ai appris et sur la base de la littérature, je vous suggère de tester cette composition de matériau catalyseur pour cette roche.' »
L'équipe rédige un article sur son projet et vise à publier ses conclusions dans les mois à venir.
Les prochaines étapes du projet, après avoir développé la recette du catalyseur, consistent à concevoir un réacteur qui servira à deux fins. Premièrement, équipé de technologies telles que la spectroscopie Raman, il permettra aux chercheurs d'identifier et d'optimiser les conditions chimiques qui conduisent à une amélioration des taux et du rendement de la production d'hydrogène. Le dispositif à l’échelle du laboratoire éclairera également la conception d’un réacteur réel capable d’accélérer la production d’hydrogène sur le terrain.
« Il s'agirait d'un réacteur à l'échelle d'une usine qui serait implanté dans le sous-sol », explique Abate.
Le projet interdisciplinaire exploite également l'expertise de Yang Shao-Horn, du département de génie mécanique et du DMSE du MIT, pour l'analyse informatique du catalyseur, et d'Esteban Gazel, un scientifique de l'Université Cornell qui apportera son expertise en géologie et géochimie. Il se concentrera sur la compréhension des formations rocheuses ultramafiques riches en fer aux États-Unis et dans le monde et sur leur réaction avec l'eau.
Pour Wicks de l'ARPA-E, les questions posées par Abate et les autres bénéficiaires de subventions ne sont que les premières étapes critiques dans un territoire énergétique inexploré.
« Si nous pouvons comprendre comment stimuler ces roches pour produire de l'hydrogène, en le faisant monter en toute sécurité, cela libérera réellement la source d'énergie potentielle », dit-il. L’industrie émergente se tournera ensuite vers le pétrole et le gaz pour son savoir-faire en matière de forage, de canalisation et d’extraction de gaz. « Comme j'aime 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-dedans ? »