Търсачи по целия свят се борят да намерят запаси от "златен водород", естествено срещащо се гориво, което произвежда енергия, без да отделя въглероден диоксид.
Наскоро проведени проучвания разкриват изобилие от естествен водород в значително по-големи количества, отколкото преди се смяташе за възможно.
Планините на Оман са в челните редици на глобалното търсене на ново и потенциално трансформиращо гориво, понякога наричано "златен водород". Безцветен и без мирис, този газ има добри качества за околната среда, защото гори чисто, като не произвежда нищо освен вода. Обикновено обаче трябва да го направим в процес с интензивни емисии. Но тук, в планините на Оман – и на места с подобна геология по целия свят – той се генерира естествено под земята, потенциално в огромни количества.
Поддръжниците на използването на тази форма на водород казват, че може драстично да ускори прехода ни към нулеви емисии, което обяснява защо изследователите и стартъпите го търсят надлъж и нашир. Остават обаче много въпроси, не на последно място колко от него наистина има и дали може лесно да се използва.
Геофизикът Амар Алали, съосновател на фирмата за геоложки ресурси Eden GeoPower, иска да тества нещо още по-амбициозно: можем ли да стимулираме земята да увеличи количеството водород, което произвежда?
За задвижваната с водород икономика се мечтае от десетилетия. Това би означавало свят, в който камионите, корабите, самолетите и тежката промишленост се движат с чист горивен газ вместо с мръсни изкопаеми горива. Проблемът е, че в момента трябва сами да произвеждаме водорода, което изисква енергия и създава замърсяване. Днес почти всичките 100 милиона тона, които светът използва годишно, се доставят чрез реакция на природен газ с пара, процес, който освобождава огромни количества въглероден диоксид. Има по-чисти начини за производство на водород, включително "зелен водород", който се произвежда от вода с помощта на възобновяема енергия, но тези методи в момента са второстепенни фактори в индустрията.
Гейзерите на Татио, Сан Педро де Атакама, Чили. Кредит: Wikimedia Commons
В момента се търсят естествени местоположения на водород по целия свят и се извършват сондажи с надеждата това да бъде огромен неочакван джакпот от изобилен чист водород. Тази форма на естествен водород вече се категоризира с цветове като златно и бяло, за да се разграничи от другите източници като кафяв или зелен въз основа на техния интензитет на въглеродни емисии.(вижте глава "Водородната дъга" най-долу)
Колко естествен водород съдържа Земята?
Във всички случаи синтетичният водород се разглежда в най-добрия случай като алтернативен начин за съхранение на енергия.
Вместо това естественото снабдяване може да бъде истински източник на енергия. И все пак, въпреки че водородът е най-разпространеният елемент във Вселената, повечето изследователи смятат, че запасите на Земята от него в неговата газообразна форма са оскъдни. Сондажите в търсене на изкопаеми горива понякога го намират в своите кладенци, а изследователите на океана - от отвори на морското дъно.
Но никой не е търсил активно водород и тези открития се смятат за изключения - водородът се смяташе за твърде реактивен, за да се натрупва в големи количества. Поради високата му химическа реактивност, се смяташе, че водородът няма да може да съществува в газообразна форма в големи находища в земната кора. Вместо това се смяташе, че водородът съществува само под скалистата повърхност на планетата, смесен в структурите на въглеводородни горива и минерали.
Това предположение бе оспорено през 2012 г., когато бе установено, че воден кладенец близо до град Bourakébougou в Мали съдържа голям запас от водород. Този газ възниква естествено, което означава, че единствената вложена енергия, необходима за неговото производство, е тази, необходима за събирането му. Този вид водород има няколко имена – бял водород и естествен водород, както и златен водород – но най-полезно е да се нарича геоложки водород. След тази находка вълна от проучвания довежда до откриването на може би значителни подземни резервоари във Франция, Испания и Австралия. Също така са открити намеци за такъв водород в части от земното кълбо.
Няколко компании сондират проучвателни кладенци в САЩ, включително стартъп, наречен Koloma, подкрепен с близо 100 милиона долара от фирмата за рисков капитал на Бил Гейтс.
"Има много хора, които търсят по цялата планета", коментира Ерик Гоше (Eric Gaucher), независим консултант отв Франция, който напуска голяма петролна и газова фирма, за да преследва природния водород. "Един от тях ще намери нещо, което е много голямо и икономично. Убедена съм."
През 2022 г. изследователи от Геоложката служба на САЩ преразглеждат своите оценки за това колко такъв газ може да има в земята въз основа на малкото, което е разбрано за това как се образува. Тяхното моделиране предполага, че може да има налични трилиони тонове, много повече, отколкото някой е подозирал преди.
Дори само малка част от това може да бъде добита, това би било достатъчно, за да отговори на очакваното ни търсене на водород за векове. Тези резултати предизвикват широко медийно отразяване.
Интересът може да е оправдан. Гоше отбелязва, че задоволяването на дори 20 или 30 процента от нарастващите ни нужди от водород с такива източници би освободило огромни количества чиста енергия, която иначе би била използвана за производството на зелен водород. Може дори да е възобновяем ресурс, ако непрекъснато се генерира под повърхността.
Но има причини да сме предпазливи относно това, което се нарича "златна водородна треска".
Истинското количество водород, което планетата съдържа, както и колко е възможно да се извлече, остава несигурно. Също така не е ясно как точно се получава геоложкият водород.
Как се образува естественият водород?
Изследователите смятат, че поне част от него постепенно се просмуква в кората от мантията отдолу, където се е натрупала по време на формирането на Земята. Тези естествени водородни отлагания се образуват чрез процес, наречен серпентинизация, при който водата реагира с богати на желязо скали, съдържащи минералите оливин и ортопироксен, за да образуват водороден газ и набор от минерали, включително железен оксид.
Реакцията, отговорна за производството на водород, може да бъде опростена чрез уравнението на реакцията:
2(Fe2+O) + H2O → (Fe3+)2O3 + H2
По същество по-ниската степен на окисление на желязото в минералите оливин и ортопироксен служи като редуциращ агент, който превръща водата във водород. В процеса желязото се окислява до по-висока степен на окисление и се превръща в минерала серпентин.
След това водородът може да бъде извлечен чрез сондиране в резервоари, образувани от порести скали под непропускливи солни или скални слоеве. Ако скалите са достатъчно тънки и напукани, може да е възможно да се извлече газа, уловен вътре, с фракинг.
Естествените фабрики за водород на Земята. Използва се с разрешение на Science, от “ Hidden Hydrogen ”, Eric Hand, 379, 6633, 2023; разрешение, предадено чрез Copyright Clearance Center, Inc.
Това е прекалено опростяване на безбройните процеси, изобразени на фигурата по-горе, за които се смята, че протичат в земната кора. По същия начин има много фактори, които трябва да се вземат предвид преди сондиране за водород. Те включват къде в скалистата повърхност на планетата биха създали идеалните условия за процеси на генериране, формите на структурите, улавящи водорода, и всякакви възможни механизми за загуби в процеса.
Повечето геоложки ловци на водород се фокусират към този процес на серпентинизация. Предполага се, че местата с много богати на желязо скали също могат да генерират много водород, отбелязва Вячеслав Згоник (Viacheslav Zgonnik), чиято компания, Natural Hydrogen Energy, проби кладенец в търсене на газ в Небраска миналата година.
Най-хитрите златотърсачи търсят район ст богати на желязо скали, покрити с непропусклив слой, така че ценното гориво да е затворено под земята. Тази стратегия следват компании, които търсят водород в Средния запад на САЩ, включително Koloma и HyTerra.
По подобен начин според Гоше е новооткритите находища в планините Пиренеи, пресичащи Франция и Испания, които могат да съдържат десетки милиони тонове водород, може да се появят поради издутина от богати на желязо скали на мантията, разположени необичайно близо до повърхността.
Илюстрация, показваща как естественият водород се е натрупал под скалите под Пиренеите. Кредит: Image Helios Aragon
В Оман тази богата на желязо геология е още по-достъпна благодарение на уникалното тектонично минало на региона. Преди малко под 100 милиона години тектонската плоча под Арабско море се сблъсква с друга под земята. Такива събития обикновено водят до изтласкване на кората надолу в мантията, но тук тя е избутана нагоре, процес, известен като обдукция. Резултатът са планините Хаджар. Те са най-голямото откритие на мантийни скали на планетата, съставени предимно от богат на желязо перидотит.
Как да намерим естествен водород
Може да има друг начин за идентифициране на зони, готови за извличане на водород. Една от сесиите на конференцията на Американския геофизичен съюз през декември миналата година е включвала изследване върху използването на машинно обучение за идентифициране на пръстени от гола почва – понякога наричани вълшебни кръгове – в сателитни изображения. Йоахим Муртгарт (Joachim Moortgat) от Държавния университет в Охайо, който ги е изследвал, казва, че е намерен водород в почвата в повече от 50 такива кръга, въпреки че връзката между газа и тези загадъчни образувания остава неясна.
Мистериозните кръгове в Намибия. Кредит Pinterest
Въпреки вълнението обаче геоложкият водород би имал недостатъци като гориво, особено когато става въпрос за транспортиране на дълги разстояния. Като за начало газът е експлозивен. И тъй като заема големи обеми, трябва да бъде компресиран или преобразуван в други химични ещества като течен амоняк, преди да може лесно да бъде транспортиран. Може да се наложи да се изградят нови тръбопроводи, за да се пренесе от отдалечени места до пристанища или градове.
Хубаво би било да не разчитаме на случайни натрупвания на водород, да стимулираме земята да произвежда надеждно газ в по-удобни зони. Върху това сега работят редица изследователи и компании. Министерството на енергетиката на САЩ (DoE) също участва, отделяйки 20 милиона долара за подобни изследвания. Идеята е да се проучат начини за ускоряване на процеса на серпентинизация и така да се извлече водород от земята.
Със своята добре изследвана геология, богатите на желязо перидотитни скали и конкретните доказателства за наличието на водород, планините Хаджар са идеално място за проверка на идеята. След семинар, включващ Министерството на енергетиката и правителството на Оман през ноември 2023 г., сега има планове за пробиване на първия в света сондаж за стимулиран водород тук по-късно тази година.
Алали съобщава, че пилотният проект за стимулиране ще включва пробиване на поне един сондаж на дълбочина между 400 и 600 метра. Степента на геоложко производство на водород ще бъде измерена и след това екипът ще опита различни методи за стимулиране на реакцията за генериране на водород, включително инжектиране на вода и нагряване на скалата. Добавянето на химически катализатори е друга възможност, макар че изследователите все още не планират да я тестват.
Ел Ахдар, част от планинската система Хаджар, Оман. Кредит: Wikimedia Commons
Според Алексис Темпълтън (Alexis Templeton) от Университета на Колорадо Боулдър, която е водещият изследовател на проекта, целта е да се увеличи скоростта на производство на водород с 10 000 пъти, тогава то ще бъде търговски изгодно.
Можем ли да стимулираме естественото производство на водород?
За да помогне да стигнем дотам, екипът ще опита нова стратегия за разбиване на скали дълбоко под земята, за да увеличи повърхността, изложена на инжектираната вода. Методът, разработен от Eden GeoPower, е подобен на фракинга за природен газ, но с електричество вместо вода. Изпращането на ток с високо напрежение между електроди, спуснати в земята, трябва да нагрее микроскопични пори в скалата, карайки ги да се разширят в "паяжина от светкавични фрактални шарки под земята", обяснява Пол Коул, ръководител на подземния инженеринг на Eden GeoPower.
Има няколко причини проектът да не работи толкова добре. Порите в скалата могат да се запушат, задържайки водорода. Необходимата вложена енергия може да се окаже неосъществимо висока. Освен това според Алексис Темпълтън в скалите на Оман живеят общности от бактерии, които се хранят с водород. Никой не знае как ще реагират, когато количеството водород се увеличи. Възможно е техният брой да набъбне, създавайки огромно количество микроби, които поглъщат голяма част от горивото, преди да може да бъде събрано. Това може да не е проблем за проекти за сондиране в по-горещи и по-дълбоки кладенци, но в Оман "в скалите има живот", казва Темпълтън.
Други изследователи казват, че целта за увеличаване на скоростта на производство на водород в такива кладенци с 10 000 е осъществима, но няма гаранция за успех. "Ще е необходима малко химия, за да работи", смята Тоти Ларсън от Тексаския университет в Остин, който не участва в проекта.
Съществуват и някои рискове за околната среда. Например, не е ясно колко вода ще изисква проектът. Използването на значителни количества в сухо място като Оман може да предизвика противопоставяне, въпреки че Алали казва, че планът е да се използват непитейни отпадъчни води или подземни води за тестовете. Вероятно и ще се повиши рискът от малки земетресения заради инжектирането на вода.
Ако всичко върви добре, Оман, държава, известна със своите нефт и газ, може да се окаже водеща в областта на геоложкия водород. Ефектът може да се разпространи далеч отвъд нейните граници и да даде сериозен тласък на усилията ни да захранваме планетата без изкопаеми горива.
Какво може да означава това за водородното гориво?
Прогнозира се, че продажната цена на килограм естествен водород може да бъде много ниска, около 0.5 долара на кг, далеч под разходите за производство на водород от изкопаеми суровини или от възобновяеми източници, които са съответно 1-3$/kg и 3-7.5$/кг.
За отбелязване е, че Земята създава естествен водород с много по-голяма скорост, отколкото произвежда въглеводородни горива. Освен това, фиксираният обем на резервоара за водород не контролира действителното количество наличен водород. По-скоро газът, извлечен от находищата, непрекъснато се регенерира чрез процеса на серпентинизация. По този начин няма смисъл да мислим, че размерът на подземния резервоар е ограничаващ фактор за количеството наличен естествен водород за захранване на бъдещата водородна икономика.
Водородната дъга
Водородът може да е безцветен газ, но хората в индустрията смятат, че той има различни нюанси в зависимост от екологичните му характеристики.
| Черен | Този водород се получава чрез обезгазяване на въглища. Процесът произвежда много въглероден диоксид и вече не се използва често. |
|---|---|
| Сив | Този метод започва с природен газ и генерира водород и въглероден диоксид, което го прави значителен производител на парников газ. Това е най-често срещаният начин за производство на водород, защото е евтин. |
| Син | Точно като сивия водород, с изключение на това, че въглеродният диоксид се улавя и съхранява под земята, което означава, че допринася по-малко за глобалното затопляне. |
| Тюркоаз | Сравнително нова технология, този подход разгражда природния газ на водород и твърд въглерод, което означава, че не се отделя въглероден диоксид. Потенциално е по-евтин от зеления водород (по-долу), но технологията се нуждае от развитие. |
| Зелен | Най-екологичният начин за производство на водород. Този метод използва електричество, генерирано от възобновяеми източници, за електролиза на водата в кислород и водород. |
| Златен | Понякога наричан бял водород (или естествен или геоложки водород), това е, когато газът се среща естествено дълбоко под земята и може да бъде събран чрез сондиране, без да е необходимо да се изразходва енергия за синтез. Това потенциално го прави многообещаващо чисто гориво, ако може да се намери и събере достатъчно от него. |
Източници:
The gold hydrogen rush: Does Earth contain near-limitless clean fuel?, New Scientist
Uncovering hidden reserves of natural hydrogen, Geoffrey Ozin, Advanced Science news
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари