Cavernes de sel : la clé pour stocker l’hydrogène ?

Les pro­jec­tions montrent qu’en 2050 l’énergie consom­mée en Europe sera répar­tie à parts égales entre élec­tri­ci­té et hydro­gène alors que les com­bus­tibles fos­siles repré­sentent aujourd’hui la plus grande part. Il est donc néces­saire de concré­ti­ser dès à present notre mai­trise de ce gaz à grande échelle. En effet, la chaîne de pro­duc­tion, de trans­port, de dis­tri­bu­tion et d’utilisation de l’hydrogène néces­si­te­ra d’importantes capa­ci­tés de sto­ckage – par­ti­cu­liè­re­ment si l’énergie pri­maire qui per­met de le pro­duire est inter­mit­tente, comme c’est le cas pour les éoliennes et les pan­neaux solaires.

Pour ce faire, nous aurons besoin d’un sys­tème per­met­tant de relier l’équipement de pro­duc­tion (notam­ment les élec­tro­ly­seurs) au réseau de dis­tri­bu­tion. Ce sys­tème devra donc être capable de sto­cker l’hydrogène en masse au moment où il est pro­duit tout en le ren­dant acces­sible dès que le réseau en réclame. Pour y arri­ver, nous pro­po­sons de sto­cker l’H₂ dans les cavi­tés salines pro­fondes. Avec la mon­tée en puis­sance de la filière hydro­gène, nous pen­sons qu’en 2050 l’Europe pour­rait avoir besoin de plu­sieurs cen­taines de cavi­tés de ce type.

Les cavernes de sel sont très uti­li­sées aujourd’hui en Europe, notam­ment pour sto­cker le gaz natu­rel. Elles tirent par­ti de la pré­sence dans le sous-sol de couches ou de dômes de sel de plu­sieurs cen­taines de mètres d’épaisseur qui s’étendent sur de grandes sur­faces ; leur exten­sion totale est de l’ordre de 20 000 km² en France. Le sel, très peu per­méable, peut être faci­le­ment dis­sous afin de créer des cavernes avec des puits de type pétro­lier pour creu­ser la roche jusqu’à la for­ma­tion sali­fère. On dis­pose ain­si, après un cer­tain temps, d’une caverne d’une taille typique de 500 000 m³. En théo­rie, il suf­fit d’étendre l’utilisation de ces cavi­tés au sto­ckage d’hydrogène tout en sachant qu’elles seraient capables de sto­cker envi­ron 6 000 tonnes d’hydrogène à des pres­sions variables entre 6 et 24 MPa – exploi­tées comme une bou­teille de plongée !

Aujourd’hui en France il existe une tren­taine de cavi­tés de sto­ckage de gaz, répar­ties sur trois sites. Cer­taines sont exploi­tées depuis une cin­quan­taine d’années. Au niveau mon­dial, on en trouve plu­sieurs cen­taines dont quelques cavi­tés de sto­ckage d’hydrogène pour des usages liés à l’industrie chi­mique. Plu­sieurs pro­jets de pilotes indus­triels de pro­duc­tion-uti­li­sa­tion de l’hydrogène sont orga­ni­sés autour de cer­taines de ces cavi­tés salines exis­tantes. En France, il y a le pro­jet Hyps­ter conduit à Etrez par Sto­ren­gy et sou­te­nu par l’Union euro­péenne, Hygéo par Tere­ga, HdF et BRGM à Car­resse-Cas­sa­ber et Hygreen conduit à Manosque par Sto­ren­gy-Geo­stock. Si ces pro­jets existent, c’est parce qu’il reste encore quelques défis à rele­ver pour par­ve­nir à un sto­ckage d’hydrogène à grande échelle.

Même pour des ouvrages clas­siques, l’acceptabilité sociale est le défi majeur de la construc­tion de nou­veaux grands équi­pe­ments éner­gé­tiques (cen­trales nucléaires, bar­rages, parcs d’éolienne) et il appar­tient aux concep­teurs d’identifier et d’expliquer au public les par­ti­cu­la­ri­tés des ouvrages du point de vue de leur sûre­té et les solu­tions appor­tées. Les cavernes de sel n’en sont pas épar­gnées. Étant don­né que la molé­cule d’hydrogène est par­ti­cu­liè­re­ment mobile, le pro­blème le plus impor­tant est l’étanchéité du puits d’accès métal­lique (plu­sieurs kilo­mètres). Un cer­tain nombre d’accidents ou d’incidents dans les quelques 2 000 cavi­tés salines de sto­ckage d’hydrocarbures liquides ou gazeux exploi­tées dans le monde sont connus et bien décrits. Ces inci­dents sont en géné­ral anciens, la pro­fes­sion ayant pro­gres­si­ve­ment adop­té un prin­cipe appe­lé la « double bar­rière » grâce auquel la pres­sion est sur­veillée conti­nû­ment pour détec­ter le pas­sage du gaz à tra­vers une pre­mière bar­rière, évi­tant ain­si le risque de pas­sage à tra­vers la deuxième

Une autre véri­fi­ca­tion indis­pen­sable est l’essai d’étanchéité. Il consiste, avant la mise en exploi­ta­tion, la cavi­té étant encore pleine de sau­mure, à faire des­cendre une colonne d’azote un peu au-des­sus du toit de la caverne et à suivre l’évolution de l’interface gaz-sau­mure : une remon­tée rapide est le signe d’une étan­chéi­té médiocre. A l’échelle de la caverne, le puits est un capil­laire très mince et le sys­tème res­semble à un baro­mètre ou à un ther­mo­mètre, extrê­me­ment sen­sibles. L’enjeu est de tra­quer des fuites minimes, de l’ordre de 10^-4/an du volume sto­cké. Une abon­dante lit­té­ra­ture, à laquelle le LMS a beau­coup contri­bué, est consa­crée à cet essai et l’on peut s’attendre, à l’occasion du sto­ckage d’hydrogène, à des déve­lop­pe­ments impor­tants concer­nant la méthode, la pério­di­ci­té et les cri­tères d’acceptabilité.

Le sel étant, sur de grandes échelles de temps, un liquide vis­queux, toute cavi­té se ferme pro­gres­si­ve­ment. Il faut que la perte annuelle de volume qui en résulte reste infé­rieure au pour cent pour évi­ter que le volume sto­ckable ne dimi­nue trop vite, sur­tout pour les cavi­tés les plus pro­fondes. Mais aus­si parce qu’elle peut engen­drer des dom­mages sur la paroi ou à l’interface sel-puits d’accès. La des­crip­tion du com­por­te­ment du sel est ancienne mais a été pro­fon­dé­ment renou­ve­lée ; la Phy­sique des Roches éta­blit qu’il existe un méca­nisme propre de défor­ma­tion sous très faibles sol­li­ci­ta­tions, dif­fi­cile à mesu­rer car les vitesses de défor­ma­tion impli­quées sont de l’ordre de seule­ment 10^-12/s. Mais le sel est aus­si un maté­riau fra­gile – sus­cep­tible de rup­ture – notam­ment sous l’effet d’une modi­fi­ca­tion bru­tale de charge méca­nique. Or on peut attendre des varia­tions bru­tales de stock, et donc de pres­sion, si les cavi­tés sont ali­men­tées par une pro­duc­tion d’hydrogène for­te­ment inter­mit­tente et doivent satis­faire une demande elle aus­si discontinue.

Les usages de l’hydrogène pour la mobi­li­té requièrent une pure­té extrême. Or, le gaz sera ame­né à séjour­ner dura­ble­ment dans une cavi­té au fond de laquelle sub­sistent des mil­liers de m³ de sau­mure. Ce der­nier contient notam­ment des sul­fates qui pro­viennent de l’anhydrite (H₂S) fré­quem­ment asso­ciée au sel sou­ter­rain. À sa sor­tie le gaz est humide et char­gé de diverses impu­re­tés dont H₂S, par­ti­cu­liè­re­ment nocif pour les uti­li­sa­tions du gaz en aval. La puri­fi­ca­tion peut repré­sen­ter une dépense important.

Enfin, compte tenu de ses grandes dimen­sions, la caverne est une machine ther­mo­dy­na­mique com­plexe – on peut par­ler d’une météo­ro­lo­gie des cavernes avec de la pluie, de la neige et des inver­sions de tem­pé­ra­ture, ren­due très exo­tique par les chan­ge­ments de pres­sion à très grande échelle. Le moteur de cette machine est la pré­sence d’un gra­dient natu­rel de tem­pé­ra­ture dans le sous-sol qui engendre une convec­tion intense du gaz dans la par­tie haute de la caverne, contrée en par­tie basse par le main­tien d’une tem­pé­ra­ture rela­ti­ve­ment froide de la sau­mure qui résulte de la suc­ces­sion d’épisodes de vapo­ri­sa­tion et de conden­sa­tion de l’eau. Ces phé­no­mènes, mis en évi­dence par le LMS avec Sto­ren­gy, ont des consé­quences, qui res­tent encore lar­ge­ment incon­nu, pour la pure­té du gaz extrait.

Propos recueillis par James Bowers