La recherche mondiale de la décarbonisation a intensifié la recherche de vecteurs énergétiques durables, l'hydrogène se développant comme un combustible polyvalent pour le transport, l'industrie et la production d'énergie. Cependant, les avantages environnementaux de l'hydrogène dépendent de sa méthode de production. Actuellement, la plupart de l'hydrogène provient du gaz naturel par la réforme du méthane de vapeur, un procédé qui émet un important dioxyde de carbone. Pour libérer le plein potentiel de l'hydrogène en tant que vecteur d'énergie propre, la production doit passer à des voies à faible émission de carbone. L'énergie géothermique, une ressource renouvelable fiable et disponible en permanence, constitue une base convaincante pour la production d'hydrogène à grande échelle et sans émission.

Qu'est-ce que l'énergie géothermique?

L'énergie géothermique est l'énergie thermique stockée dans la croûte terrestre, provenant de la formation de la planète et de la décomposition radioactive des minéraux. Cette chaleur est accessible par forage de puits dans des réservoirs souterrains d'eau chaude ou de vapeur, souvent à des profondeurs de 1 à 3 kilomètres ou plus. La ressource est catégorisée par température : basse température (<90°C) for direct heating, medium-temperature (90–150°C) for binary cycle power plants, and high-temperature (>150°C) pour les turbines à vapeur conventionnelles.

Les ressources géothermiques ne sont pas uniformément réparties; elles sont concentrées le long des limites des plaques tectoniques, des régions volcaniques et des zones de faille. Les zones à noter sont le Pacific Ring of Fire, le East African Rift et l'Islande. Cependant, les progrès réalisés dans les systèmes géothermiques améliorés (EGS) élargissent l'accès à l'énergie géothermique en stimulant la perméabilité dans les formations de roches sèches chaudes, ce qui pourrait libérer de vastes ressources à l'échelle mondiale.

Méthodes de production d'hydrogène

L'hydrogène n'est pas une source d'énergie primaire, mais un vecteur d'énergie qui doit être produit à partir d'autres composés.

  • Réformage du méthane à vapeur (SMR): Convertit le gaz naturel et la vapeur en hydrogène et en CO2. Actuellement la méthode la moins chère et la plus courante, mais émet de 9 à 12 kg de CO2 par kg de H2. Avec la capture de carbone (hydrogène bleu), les émissions peuvent être réduites mais non éliminées.
  • Gasification au charbon:[ Similaire au RSM mais à partir du charbon; émissions encore plus élevées. Rarement considérée comme durable.
  • Électrolyse: Sépare l'eau (H2O) en hydrogène (H2) et en oxygène (O2) à l'aide d'électricité. Lorsque l'électricité est produite à partir de sources renouvelables, l'hydrogène est appelé «vert» ou «hydrogène renouvelable». Trois principaux types d'électrolysers existent:
    • Électrolyse alcaline (AEL): La technologie de maturité, à moindre coût, fonctionne à 60-80°C. Convient aux grandes installations à puissance stable.
    • Polymer Electrolyte Membrane (PEM):[ Une réponse plus efficace, compacte et dynamique, mais utilisant des catalyseurs coûteux (platine, iridium).
    • Électrolyse par oxyde solide (EOS):[ Fonctionne à haute température (700–1 000 °C), obtenant un rendement électrique plus élevé parce que certaines sources d'énergie sont de la chaleur.
  • Cycles thermochimiques:[ Utilisez la chaleur directement pour provoquer des réactions chimiques qui divisent l'eau, sans électricité. Convient pour des températures très élevées (>800°C) à partir de l'énergie solaire concentrée ou géothermique avancée.

Pour l'intégration géothermique, l'électrolyse, en particulier les SOE à haute température, offre la synergie la plus directe. La chaleur géothermique peut fournir l'énergie thermique nécessaire pour la production de vapeur et le préchauffage, réduire la demande électrique du processus d'électrolyse et améliorer l'efficacité globale du système.

Électrolyse à entraînement géothermique

Comment fonctionne l'intégration

Dans une installation de production d'hydrogène à base de géothermie, la ressource géothermique joue deux rôles : produire de l'électricité pour alimenter l'électrolyzeur et fournir de la chaleur directe pour le processus d'électrolyse lui-même (surtout pour les ECO).

  1. Le liquide géothermique (saumure ou vapeur) est extrait du réservoir par l'intermédiaire de puits de production.
  2. Le fluide passe par un échangeur de chaleur ou conduit directement une turbine dans une centrale géothermique à produire de l'électricité. Dans les installations à cycle binaire, la saumure géothermique chauffe un fluide de travail secondaire qui vaporise et tourne une turbine.
  3. Une partie de la chaleur géothermique peut également être utilisée pour préchauffer l'eau ou maintenir l'électrolyseur à une température optimale, ce qui augmente l'efficacité globale.
  4. L'électricité de la centrale géothermique est alimentée à la pile d'électrolyseurs, qui divise l'eau purifiée en hydrogène et en oxygène.
  5. L'hydrogène est ensuite comprimé, stocké ou transporté pour être utilisé dans les piles à combustible, les procédés industriels ou comme matière première pour les combustibles synthétiques.

Pour les ressources géothermiques à basse température à moyenne température (100 à 200 °C), les électrolyseurs alcalins ou PEM sont les plus appropriés. Pour les ressources géothermiques à haute température (> 250 °C), les SOE peuvent tirer parti de la chaleur pour obtenir un rendement électrique allant jusqu'à 80 à 90 % (base de la valeur de chauffage inférieure), comparativement à 60 à 70 % pour l'électrolyse alcaline conventionnelle.

Efficacité et coûts

Les premières études suggèrent que l'hydrogène vert provenant de la géothermie pourrait être compétitif avec l'hydrogène bleu à l'échelle, surtout si les coûts de l'électricité géothermique sont inférieurs à 0,05 $/kWh et que les coûts de l'électrolysage continuent de diminuer le long des courbes d'apprentissage. La nature de la charge de base de la géothermie évite également la nécessité d'un stockage ou d'une réduction coûteuses de la batterie, contrairement aux énergies renouvelables variables. Une analyse réalisée en 2023 par le Laboratoire national des énergies renouvelables (LNER) a indiqué que l'hydrogène géothermique pourrait atteindre des coûts aussi bas que 2,50 $–4,00 $ par kilogramme dans des zones de ressources favorables d'ici 2030.

Avantages de l'utilisation de l'énergie géothermique pour la production d'hydrogène

La combinaison de la puissance géothermique et de la production d'hydrogène offre de multiples avantages uniques qui abordent les limites d'autres voies d'hydrogène renouvelable.

  • Renouvellement et durabilité: L'énergie géothermique est pratiquement inépuisable à l'échelle du temps humain. Un réservoir bien géré peut soutenir la production pendant des décennies. Contrairement à la biomasse, elle ne concurrence pas les ressources en terres ou en eau au-delà de la phase initiale de forage, et son empreinte terrestre par MW est beaucoup plus petite que les parcs solaires ou éoliens.
  • Faibles émissions et impact environnemental :[ Les centrales géothermiques n'émettent qu'environ 5 % du CO2 d'une centrale à gaz naturel par MWh, et captent ou réinjectent souvent des gaz non condensables. L'hydrogène produit par électrolyse géothermique peut produire des émissions de cycle de vie près de zéro si les fluides géothermiques sont manipulés correctement.
  • Puissance de charge pour la production continue d'hydrogène: Les électrolyseurs fonctionnent le plus efficacement en conditions d'équilibre; le cycle fréquent dû à l'énergie solaire ou éolienne intermittente peut accélérer la dégradation et réduire la durée de vie. La géothermie fournit une puissance constante et prévisible, maximisant l'utilisation de l'électrolyseur et réduisant le coût effectif de l'hydrogène.
  • Haute efficacité énergétique lors de l'utilisation de la chaleur directe:[ Les ressources géothermiques à haute température peuvent fournir directement l'apport thermique pour les cycles SOE ou thermochimiques, essentiellement transformer la chaleur en combustible avec des pertes minimales de conversion d'électricité. Cette coproduction d'électricité et de chaleur (cogénération) améliore l'utilisation globale des ressources.
  • Doual Output of Electricity and Hydrogen:[ De nombreux projets géothermiques produisent déjà de l'électricité. L'électrolyse crée une demande flexible : lorsque les prix de l'électricité sont bas ou lorsque la demande du réseau est satiée, la centrale peut détourner l'énergie vers la production d'hydrogène, servant de charge économique.
  • Consommation d'eau réduite :[ Contrairement à la production d'hydrogène à combustibles fossiles, qui consomme de l'eau pour la production de vapeur et le refroidissement, l'électrolyse géothermique utilise l'eau comme matière première. Cependant, certaines usines géothermiques produisent de la vapeur condensée qui peut être utilisée pour l'électrolyse, réduisant ainsi le retrait d'eau douce.

Défis et perspectives d'avenir

Hurdles actuelles

Malgré sa promesse, la production d'hydrogène géothermique fait face à plusieurs obstacles qui doivent être surmontés pour être largement déployés.

  • Frais d'immobilisations à la hausse : Le forage et la construction d'une centrale géothermique comportent des risques et des dépenses importants, souvent de 5 à 10 millions de dollars par puits, les coûts d'exploration des puits infructueux ajoutant à l'incertitude du projet. L'ajout d'électrolyse et de compression de l'hydrogène accroît encore les besoins en capital.
  • Contraintes géographiques: Les ressources hydrothermales de haute qualité sont limitées à des régions spécifiques, souvent loin des centres de demande d'hydrogène. Le transport d'hydrogène par pipeline ou par ammoniac peut augmenter le coût. Cependant, la technologie EGS pourrait étendre les ressources accessibles à des zones à roches chaudes mais à faible perméabilité, comme l'ouest des États-Unis ou certaines parties de l'Europe.
  • Gestion de l'eau et de la saumure: Les fluides géothermiques contiennent souvent des minéraux dissous, de la silice et des composés corrosifs qui peuvent endommager les échangeurs de chaleur et les membranes d'électrolyse.Un traitement adéquat de l'eau est nécessaire pour produire de l'eau de haute pureté pour l'électrolyse, ce qui ajoute de la complexité.
  • Intégration d'un électrolyste à haute température:[ Bien que la SOE soit prometteuse, elle est moins mature que les technologies alcalines et PEM, avec des durées de vie plus courtes et des taux de dégradation plus élevés en raison du cycle thermique et des contraintes matérielles.
  • Les défis réglementaires et les défis liés aux permis :[ Les projets géothermiques font face à de longs processus d'examen environnemental, à des conflits d'utilisation des terres (p. ex. dans les parcs nationaux ou les terres autochtones) et à des règlements complexes sur les droits sur l'eau.

Orientations futures et recherche

Les perspectives de l'hydrogène géothermique s'améliorent grâce aux innovations technologiques et au soutien des politiques.

  • Systèmes géothermiques améliorés (SGE):[ En stimulant la roche sèche chaude par fracturation hydraulique, EGS pourrait créer des réservoirs géothermiques dans beaucoup d'autres endroits. L'initiative FORGE fait progresser les technologies de forage et de stimulation pour rendre EGS commercialement viable.
  • Techniques avancées de forage:[ Des technologies comme le forage laser, le forage plasma et le forage directionnel avec turbines à trous d'amont visent à réduire les coûts de forage et à augmenter les profondeurs accessibles.
  • Hybrid Systèmes géothermiques : Combiner la géothermie et l'énergie solaire concentrée (CSP) peut fournir une chaleur extrêmement élevée pour la production thermochimique d'hydrogène.Le champ solaire complète la chaleur géothermique pendant les heures ensoleillées, tandis que la géothermie fournit une charge de base pendant la nuit.
  • Géothermie des pôles d'hydrogène: Plusieurs pays, dont l'Islande, la Nouvelle-Zélande, le Japon et les États-Unis (en particulier dans la région de Geysers et Imperial Valley), explorent des pôles régionaux d'hydrogène qui intègrent l'électricité géothermique, l'électrolyse et le stockage de l'hydrogène.
  • Politique et tarification du carbone: La loi sur la réduction de l'inflation aux États-Unis comprend un crédit d'impôt pour la production d'hydrogène (45V) qui prévoit jusqu'à 3 $/kg pour l'hydrogène propre, avec une échelle mobile basée sur les émissions du cycle de vie. L'hydrogène géothermique est admissible au niveau le plus élevé (moins de 0,45 kg CO2e par kg H2), ce qui le rend économiquement compétitif avec l'hydrogène gris.

Considérations environnementales et sociales

L'utilisation de l'eau pour l'électrolyse doit être équilibrée avec la disponibilité locale de l'eau; l'utilisation du condensat géothermique ou des eaux usées municipales traitées peut réduire la demande en eau douce. L'engagement communautaire et le partage des avantages, comme l'emploi local ou les revenus provenant des ventes d'hydrogène, seront essentiels pour la délivrance de permis sociaux.

Conclusion

L'énergie géothermique constitue une base unique et à faible teneur en carbone pour la production d'hydrogène vert. Sa production constante permet une électrolyse efficace et 24 heures sur 24, tandis que les ressources en chaleur peuvent fournir directement de la chaleur pour les procédés d'électrolyse thermochimiques ou à haute température avancés. La combinaison de la puissance géothermique et de la production d'hydrogène permet de remédier aux principales faiblesses d'autres sources d'énergie renouvelables – l'intermittence, l'utilisation des terres et la réduction de la production – tout en offrant une voie claire pour décarboner des secteurs difficiles à éliminer tels que la sidérurgie, le transport lourd et la fabrication de produits chimiques.

La technologie n'est pas encore arrivée à maturité à l'échelle commerciale, mais les progrès en cours en matière de GGE, de forage, d'électrolysers à haute température et de politiques de soutien réduisent rapidement le fossé de coûts. Avec des investissements appropriés dans l'exploration, la recherche et l'infrastructure, l'hydrogène géothermique pourrait devenir la pierre angulaire d'une économie mondiale de l'hydrogène. La prochaine décennie sera cruciale à mesure que les projets pilotes s'intensifieront et démontreront la faisabilité technique et économique de cette synergie prometteuse.

Ressources connexes :