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π Énergie

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

Pierre Berret
Pierre Bérest
professeur émérite de l'École polytechnique (IP Paris)

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.

Une solution déjà existante

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.

1/ Empêcher les fuites

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.

2/ Maîtriser le comportement du sel

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.

3/ Comprendre la thermodynamique du gaz

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

Auteurs

Pierre Berret

Pierre Bérest

professeur émérite de l'École polytechnique (IP Paris)

Diplômé de l'Ecole polytechnique et de l'Ecole des Mines de Paris, où il a obtenu son doctorat, Pierre Berest a été chef du service de la sécurité souterraine au ministère français de l'industrie. A partir de 1981, il devint chercheur à l'Ecole polytechnique, au Laboratoire de mécanique des solides (LMS) dont il a été le directeur puis professeur associé en mécanique des structures. Pierre Berest a également été conseiller du département Sciences pour l'Ingénieur (SPI) du CNRS et a présidé le comité scientifique du LCPC (aujourd'hui Ifstar). De 2011 à 2014, il fut coordinateur du consortium SACRE dédié au stockage adiabatique d'air comprimé (CAES) et soutenu par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR). Expert du conseil scientifique de l'Institut français du pétrole (IFPen) pendant 10 ans, Pierre Berest est l'auteur ou le coauteur de 200 articles dans le domaine de la mécanique des continuums appliquée aux travaux souterrains appliqués aux mines, tunnels, stockage souterrain de gaz, pétrole, CO2 ou déchets nucléaires.