Hydrogène géologique : Le prochain grand chapitre de l’énergie ?

Le concept de l’exploitation de l’hydrogène naturel a fait son chemin ces dernières années et les efforts de recherche à cet égard ont connu une croissance fulgurante. En l’absence de données suffisantes issues de forages profonds, chercheurs et compagnies se tournent principalement vers des méthodes de détection proche de la surface, par des mesures des gaz du sol, en présumant qu’une source profonde d’hydrogène se traduit par des émanations en surface. Si la méthode générale de prospection fait consensus à l’échelle mondiale (insertion de sondes perforées à 80 à 100 cm de profondeur et mesure du gaz à l’aide d’un détecteur portatif), ses nombreuses variantes demeurent souvent peu documentées. Le diable se cache dans les détails. En effet, nos travaux démontrent que certaines de ces méthodes, plus pratiques à mettre en œuvre, peuvent induire la génération mécanique d’hydrogène lors de l’enfoncement de la sonde, à des concentrations dépassant parfois 1000 ppm. Cet artefact analytique peut facilement être mal interprété comme une découverte notable d’hydrogène naturel.

Ce constat vient appuyer les appels grandissants visant le développement de meilleures pratiques pour la prospection de l’hydrogène dans les gaz du sol. Mais ces bonnes pratiques ne devraient pas se limiter aux méthodes de recherche. Advenant la découverte d’un réservoir exploitable, il faudra également se pencher sur les impacts environnementaux de l’exploitation de l’hydrogène naturel. Le Québec a l’occasion de se positionner comme chef de file des meilleures pratiques de suivi environnemental pour cette ressource émergente afin d’en encadrer le développement de façon responsable.

L’hydrogène naturel (H₂) est produit dans la croûte continentale principalement par l’oxydation du Fe²⁺ lors de l’interaction eau-roche, ainsi que par la radiolyse de l’eau sous l’effet des éléments radiogéniques. Ce dernier processus génère également de l’hélium (He), liant génétiquement ces deux gaz. Le Canada se prête bien à l’évaluation de ces ressources, l’association du vaste Bouclier canadien précambrien à de grands bassins sédimentaires offrant des réservoirs et des couvertures potentiels. Nous présentons ici la première d’une synthèse pancanadienne des systèmes d’H₂ et d’He naturels dans un cadre source-migration-réservoir-couverture adapté de l’analyse des systèmes pétroliers. Nous avons d’abord compilé et harmonisé des données publiques de composition des gaz avec des jeux de données lithogéochimiques. Nous avons par la suite appliqué des modèles de Monte-Carlo de génération d’H₂ et d’He par radiolyse et serpentinisation, couplés à une analyse de sensibilité de rang de Spearman. La génération est principalement contrôlée par la lithologie, l’âge, la minéralogie et la lithogéochimie, soit le rapport Fe³⁺/FeT pour la serpentinisation et la teneur en U-Th-K pour la radiolyse, tandis que l’accumulation dépend de l’architecture du bassin, de la connectivité des fractures et des couvertures peu perméables. Des fluides de fracture riches en H₂ et He, âgés de millions à milliards d’années, à Kidd Creek et dans d’autres mines du Bouclier, montrent que le socle cristallin fracturé génère et retient ces gaz à l’échelle des temps géologiques, complétant le potentiel de piégeage des bassins plus jeunes. L’He est à la fois une ressource coproduite et un indicateur des systèmes d’H₂ profonds. Les taux modélisés représentent un potentiel source et non des volumes récupérables.

L’intérêt pour l’hydrogène géologique comme ressource énergétique primaire s’est accru récemment, comme en témoignent les activités d’exploration menées sur tous les continents. Les roches mafiques et ultramafiques riches en fer sont généralement considérées comme les principales roches sources de l’hydrogène d’origine naturelle. Ces lithologies constituent également souvent les roches hôtes pour des éléments à haute valeur économique, tels que le nickel et le chrome. Par conséquent, les contextes géologiques les plus prometteurs pour l’hydrogène géologique sont souvent ceux qui présentent aussi un intérêt pour l’exploration minière. Cela offre aux acteurs de l’exploration minière et de l’hydrogène l’occasion de tirer parti des jeux de données, des technologies et des méthodes de travail propres à chaque secteur dans leurs efforts d’exploration respectifs. Une meilleure connaissance des stratégies et des approches adoptées par chacune de ces activités d’exploration peut s’avérer mutuellement bénéfique. Par exemple, les exploitants miniers réalisent traditionnellement des mesures d’explosivité sur leurs sites pour des raisons de sécurité. L’analyse de la composition de ces gaz pourrait donc fournir des informations précieuses pour orienter l’exploration de l’hydrogène. La coproduction d’hydrogène et de ressources minérales (que ce soit directement ou indirectement par colocalisation) pourrait réduire considérablement les dépenses d’exploitation (OpEx) et l’intensité carbone des activités minières, générant ainsi des avantages tant financiers que climatiques. Au-delà de la production d’hydrogène à partir d’accumulations naturelles, il est envisageable de produire de l’hydrogène en temps réel dans le sous-sol grâce à des méthodes de stimulation. Par ailleurs, la production d’hydrogène en surface à partir de résidus miniers riches en fer offre une autre possibilité de coproduction d’hydrogène associée au traitement des minerais. Les possibilités d’association entre l’hydrogène et les ressources minérales restent largement inexplorées et pourraient permettre à l’industrie de réduire ses coûts ainsi que l’impact environnemental de l’extraction minière.

Le dihydrogène naturel, comparé au dihydrogène de synthèse, pourrait constituer une géoressource décarbonée à valoriser dans le contexte de la transition énergétique et de recherche de nouveaux carburants. Cependant, si l’existence d’émanations naturelles de H₂ est aujourd’hui avérée, son intérêt économique reste à démontrer et plusieurs étapes peuvent être envisagées : déterminer si des réserves et des flux naturels de H₂ exploitables existent, comprendre les processus à l’origine du H₂ naturel, estimer si une exploitation d’intérêt économique est possible.

Cette présentation fera le point sur les avancées récentes dans la compréhension de l’hydrogène naturel. Elle abordera les processus géologiques responsables de sa formation, de son accumulation et de sa migration dans le sous-sol, ainsi que les méthodes émergentes permettant de détecter, caractériser et évaluer les accumulations potentielles.