Genèse et mobilité de l’hydrogène naturel: source d’énergie ou vecteur énergétique stockable?

Devant le jury composé de :

François GUYOT ......... Directeur de thèse

Alain PRINZHOFER ....... Co-directeur de thèse

Bernhard KROOSS ........ Rapporteur

Olivier VIDAL .......... Rapporteur

Pierre AGRINIER ........ Examinateur

Laurent CHARLET ........ Examinateur




Résumé:

Cette thèse s’est intéressée à la production d’hydrogène (H2) dans certains milieux
continentaux et à l’étude expérimentale de sa migration dans des milieux géologiques.
Dans un premier temps, nous avons analysé en Oman, aux Philippines, en Turquie et
au Kansas (USA) des gaz riches en H2 associé à du méthane CH4 et à de l’azote N2. Les
analyses systématiques des isotopes stables de l’hydrogène, du carbone et des gaz rares
indiquent une origine de ce H2 de relativement basse température dans un aquifère assez peu
profond. En surface, nous avons vérifié que l’émission de H2 était associée à des sources à
très haut pH qui captent le CO2 atmosphérique sous forme de calcite et d’aragonite. Les
signatures isotopiquement très lourdes en carbone de l’essentiel du méthane mesuré suggèrent
une réduction du carbone inorganique dissous par ce H2. Nous suggérons que, comme dans la
serpentinisation hydrothermale océanique mais à beaucoup plus basse température, la
connexion entre la production de H2 et la roche ultrabasique est due à la présence abondante
de fer (II) et à des conditions de potentiel redox qui permettent la réduction de l’eau en H2
ainsi qu’une bonne conservation de ce H2 dont une partie variable, dépendante des activités de
CO2, est convertie en méthane. La combinaison de ce modèle de génération de H2 avec des
données de migration des gaz rares, d’hydrologie et de géologie, nous a permis d’estimer un
flux global de production de H2 au niveau des grands massifs ophiolitiques de 1013 à 1018
m3/yr.
Dans une deuxième approche, nous avons réalisé des expériences de migration de H2
en milieu géologique naturel ou reconstitué au laboratoire. Nous avons montré que cette
migration n’était pas particulièrement importante par rapport à celle d’autres gaz et de fait
assez proche de celle de l’argon. Cette migration modérée, inférieure à celle de CO2 dans les
milieux poreux saturés, est due à une solubilité relativement faible de H2 dans l’eau ainsi qu’à
un coefficient de diffusion effectif dans le milieu poreux inférieur à celui de He et du même
ordre que celui de Ar. Dans la mesure où H2 ne migre ni plus vite ni plus efficacement que
CH4 par exemple, ces expériences ont permis d’établir la faisabilité de principe du stockage
géologique de l’hydrogène ; il reste toutefois à étudier la stabilité chimique de cette molécule
réactive dans un réservoir donné.