Optimisation de la production d’hydrogène dans les réservoirs ultrabasiques

Cette thèse explore les possibilités d’optimisation de la production d’H2 par altération hydrothermale des péridotites (serpentinisation). Après une introduction sur l’H2 dans le monde énergétique de demain, elle se focalise sur sa production naturelle, puis poursuit par un état de l’art sur la serpentinisation expérimentale (cinétique de serpentinisation/production d’H2). Une analyse approfondie par datalogie est réalisée à partir d’une base de données sur la production de H2±CH4 expérimentale par serpentinisation. Elle a permis d’affiner la stratégie des expériences (exp) de serpentinisation (poudre de péridotites / 300°C-300 bars / 0,5 m de NaCl), testant : 1) l’impact de cations métalliques (ici Ni2+) en solution, 2) les effets catalytiques des phases accessoires, sur la production de H2, et 3) le devenir du carbone dans ces systèmes enrichis en H2. Les exp avec le nickel montrent des effets contrastés suivant sa concentration du Ni2+ dissous sur la production de H2. La serpentinisation démarre plus rapidement, et est accélérée par la précipitation rapide de Ni-serpentine et Ni-magnétite. Puis deux effets antagonistes sont observés : pour une concentration de Ni2+ de 80 mg/kgsol, la production de H2 est presque doublée par rapport à l’exp de référence, (26,8 vs 15,4 mmol/kgsol) pour un taux de serpentinisation proche (57 vs 67 %). Ceci indique une oxydation plus efficace du Fe2+ qui pourrait être catalysé par la formation d’hydroxydes de Fe-Ni. Pour une concentration de Ni2+ de 800 mg/kgsol, l’H2 final ne dépasse pas le niveau de base défini pas les blancs malgré une quantité de serpentinisation supérieure (80%) et une quantité de fer oxydé importante. Cette diminution observée est attribuée à sa consommation par la réduction du Ni2+ en Ni0 via une oxydation du fer potentiellement catalysée par la Ni-magnétite formée. Cette réaction s’appuie sur l’observation de Ni-magnétite localisée en bordure de larges zones de Ni-serpentine, qui contiennent des particules de Ni0. Les exp d’électrochimie à l’ambiante ont démontré une activité catalytique pour 6 des 11 phases testées, dont 2, la magnétite et la chalcopyrite, ont été testées avec la serpentinisation (5 mois). Des résultats distincts en ressortent : Avec la magnétite, la production d’H2 est triplée par rapport à l’exp de référence (33 vs 11.5 mmol/kgsol), pour une serpentinisation et une oxydation du fer accélérées. L’analyse des solides a montré que les magnétites initiales n’ont pas été altérées et ont joué un rôle de catalyseur, via une oxydation plus efficace du fer à leurs surfaces et/ou une production d’H2 plus rapide par adsorption d’H+. Avec la chalcopyrite, la concentration en H2 ne dépasse pas celle du blanc, malgré une serpentinisation importante et la précipitation de magnétite. La chalcopyrite a partiellement réagi avec la péridotite, pour tendre vers un assemblage magnétite/chalcocite. Inhibant ainsi la production d’H2 en piégeant le Fe2+ libéré par l’olivine sous forme de magnétite. Les exp en présence d’une solution riche en H2, CO2 et formiate ont montré une spéciation du carbone différente avec ou sans péridotite. L’exp de référence de décomposition du formiate à 300 °C–300 bars, sans péridotite, montre que l’essentiel du carbone est dissous, sous forme de bicarbonates, et de formiate. Avec la péridotite, la serpentinisation forme une faible quantité d’H2, en plus de celui fourni par la décomposition du formiate, mais il est rapidement consommé pour réduire le carbone dissous, qui précipite sous forme de carbonates ou de carbone condensé. Un premier bilan de carbone entre les différentes phases, d’une exp de ce type a ainsi pu être établi. La réaction agit comme une véritable éponge à carbone, le transférant rapidement dans la phase solide (96% en 119 jours). Ainsi 2/3 du carbone est ainsi stocké sous forme de carbonate et 1/3 sous forme de composés organiques métastables. Ils pourraient à terme contribuer à la formation d’autres composés, comme le CH4