Cuộc đua toàn cầu để khai thác hydro ngầm: Tương lai của năng lượng sạch vô hạn
Nghiên cứu đột phá về hydro địa chất có thể biến nó thành một giải pháp thay thế sạch, cạnh tranh cho nhiên liệu hóa thạch, với nguồn tài trợ đáng kể nhằm tối ưu hóa việc khai thác và sản xuất.
Việc phát hiện ra hydro nguyên chất dưới lòng đất đang định hình lại sự hiểu biết về nguyên tố dồi dào này và tiềm năng của nó như một nguồn năng lượng sạch.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đang tài trợ cho nghiên cứu để khai thác nguồn tài nguyên này, với các dự án tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất tự nhiên và biến nó thành khả thi về mặt kinh tế.
Lời hứa của hydro địa chất
Hydro, nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ, thường được tìm thấy liên kết với các nguyên tố khác—ví dụ, với oxy trong nước hoặc với carbon trong mêtan. Tuy nhiên, việc phát hiện ra các túi hydro nguyên chất tự nhiên dưới lòng đất đang thách thức giả định này. Những trữ lượng ẩn này đang thu hút sự chú ý như một nguồn năng lượng không carbon có khả năng vô hạn.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là một trong những đơn vị chú ý đến điều này. Năm nay, bộ đã trao 20 triệu đô la tiền tài trợ nghiên cứu cho 18 nhóm từ các phòng thí nghiệm, trường đại học và công ty tư nhân. Mục tiêu: phát triển các công nghệ có thể sản xuất nhiên liệu sạch, tiết kiệm chi phí từ các nguồn hydro ngầm.
Được gọi là hydro địa chất, nguồn tài nguyên này hình thành tự nhiên khi nước phản ứng với đá giàu sắt, khiến sắt bị oxy hóa. Trong số những người nhận tài trợ có một nhóm nghiên cứu do Trợ lý Giáo sư Iwnetim Abate của MIT đứng đầu. Với khoản tài trợ 1,3 triệu đô la, nhóm của Abate đặt mục tiêu xác định các điều kiện tối ưu để sản xuất hydro dưới lòng đất. Công trình của họ sẽ xem xét các yếu tố chính như chất xúc tác để kích hoạt phản ứng, nhiệt độ, áp suất và độ pH. Mục tiêu cuối cùng là nâng cao hiệu quả sản xuất quy mô lớn, biến hydro địa chất thành nguồn năng lượng khả thi, có khả năng cạnh tranh cho nhu cầu toàn cầu.
Trợ lý Giáo sư Iwnetim Abate đang dẫn đầu nỗ lực xác định các điều kiện lý tưởng để sản xuất hydro dưới lòng đất. Nguồn: Gretchen Ertl
Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ ước tính có khả năng có hàng tỷ tấn hydro địa chất được chôn vùi trong lớp vỏ Trái đất. Người ta đã phát hiện ra các mỏ tích tụ trên toàn thế giới và một loạt các công ty khởi nghiệp đang tìm kiếm các mỏ có thể khai thác. Abate đang tìm cách khởi động quá trình sản xuất hydro tự nhiên, triển khai các phương pháp tiếp cận "chủ động" bao gồm kích thích sản xuất và thu hoạch khí.
"Chúng tôi đặt mục tiêu tối ưu hóa các thông số phản ứng để phản ứng diễn ra nhanh hơn và sản xuất hydro theo cách khả thi về mặt kinh tế", Abate, Giáo sư Phát triển Chipman tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (DMSE) cho biết. Nghiên cứu của Abate tập trung vào việc thiết kế vật liệu và công nghệ cho quá trình chuyển đổi năng lượng tái tạo, bao gồm pin thế hệ tiếp theo và các phương pháp hóa học mới để lưu trữ năng lượng.
Quan tâm toàn cầu và triển vọng thương mại
Mối quan tâm đến hydro địa chất đang gia tăng vào thời điểm các chính phủ trên toàn thế giới đang tìm kiếm các giải pháp thay thế năng lượng không phát thải carbon cho dầu và khí đốt. Vào tháng 12, Tổng thống Pháp Emmanuel Macron cho biết chính phủ của ông sẽ cung cấp kinh phí để khai thác hydro tự nhiên. Và vào tháng 2, các nhân chứng của chính phủ và khu vực tư nhân đã tóm tắt cho các nhà lập pháp Hoa Kỳ về các cơ hội khai thác hydro từ lòng đất.
Ngày nay, hydro thương mại được sản xuất với giá 2 đô la một kg, chủ yếu để sản xuất phân bón, hóa chất và thép, nhưng hầu hết các phương pháp đều liên quan đến việc đốt nhiên liệu hóa thạch, giải phóng carbon làm nóng Trái đất. “Hydro xanh”, được sản xuất bằng năng lượng tái tạo, có triển vọng, nhưng với giá 7 đô la một kg, thì khá đắt.
“Nếu bạn mua được hydro với giá một đô la một kg, thì nó có thể cạnh tranh với khí đốt tự nhiên về giá năng lượng”, Douglas Wicks, giám đốc chương trình tại Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến – Năng lượng (ARPA-E), tổ chức của Bộ Năng lượng dẫn đầu chương trình tài trợ hydro địa chất, cho biết.
Những người nhận được tài trợ của ARPA-E bao gồm Trường Mỏ Colorado, Đại học Texas Tech và Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, cùng với các công ty tư nhân bao gồm Koloma, một công ty khởi nghiệp sản xuất hydro đã nhận được tài trợ từ Amazon và Bill Gates. Bản thân các dự án rất đa dạng, từ việc áp dụng các phương pháp dầu khí công nghiệp để sản xuất và khai thác hydro cho đến phát triển các mô hình để hiểu về quá trình hình thành hydro trong đá. Mục đích: giải quyết các câu hỏi trong cái mà Wicks gọi là “khoảng trắng hoàn toàn”.
Wicks cho biết “Trong hydro địa chất, chúng ta không biết làm thế nào để có thể đẩy nhanh quá trình sản xuất nó, vì đó là phản ứng hóa học, chúng ta cũng không thực sự hiểu cách chế tạo lớp đất bên dưới để có thể khai thác nó một cách an toàn”. “Chúng tôi đang cố gắng đưa những kỹ năng tốt nhất của từng nhóm khác nhau vào để làm việc này với ý tưởng rằng nhóm này sẽ có thể cung cấp cho chúng tôi những câu trả lời tốt trong một khoảng thời gian khá nhanh chóng.”
Nhà địa hóa học Viacheslav Zgonnik, một trong những chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực hydro tự nhiên, đồng ý rằng danh sách những điều chưa biết còn dài, cũng như con đường dẫn đến các dự án thương mại đầu tiên. Nhưng ông cho biết những nỗ lực kích thích sản xuất hydro — khai thác phản ứng tự nhiên giữa nước và đá — có "tiềm năng to lớn".
"Ý tưởng là tìm ra cách chúng ta có thể đẩy nhanh phản ứng đó và kiểm soát nó để có thể sản xuất hydro theo nhu cầu ở những nơi cụ thể", Zgonnik, CEO và nhà sáng lập của Natural Hydrogen Energy, một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Denver có hợp đồng cho thuê khoáng sản để khoan thăm dò tại Hoa Kỳ, cho biết. "Nếu chúng ta có thể đạt được mục tiêu đó, điều đó có nghĩa là chúng ta có khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng hydro kích thích".
Động lực và sáng kiến cá nhân
Đối với Abate, mối liên hệ với dự án này là cá nhân. Khi còn là một đứa trẻ ở quê nhà Ethiopia, tình trạng mất điện là chuyện thường ngày — đèn sẽ tắt ba, có thể là bốn ngày một tuần. Nến nhấp nháy hoặc đèn dầu thải ra chất gây ô nhiễm thường là nguồn sáng duy nhất để làm bài tập về nhà vào ban đêm.
"Và đối với hộ gia đình, chúng tôi phải sử dụng gỗ và than củi cho các công việc như nấu ăn", Abate nói. “Đó là câu chuyện của tôi cho đến tận cuối cấp 3 và trước khi tôi đến Hoa Kỳ để học đại học.”
Năm 1987, những người đào giếng khoan tìm nước ở Mali, Tây Phi đã phát hiện ra một mỏ hydro tự nhiên, gây ra một vụ nổ. Nhiều thập kỷ sau, doanh nhân người Mali Aliou Diallo và công ty dầu khí Canada của ông đã khai thác giếng và sử dụng động cơ để đốt hydro và cung cấp điện cho ngôi làng gần đó.
Từ bỏ dầu và khí đốt, Diallo đã thành lập Hydroma, doanh nghiệp thăm dò hydro đầu tiên trên thế giới. Công ty đang khoan các giếng gần địa điểm ban đầu đã tạo ra nồng độ khí cao.
“Vì vậy, những gì từng được biết đến là một lục địa nghèo năng lượng giờ đây đang tạo ra hy vọng cho tương lai của thế giới,” Abate nói. “Việc tìm hiểu về điều đó là khoảnh khắc trọn vẹn đối với tôi. Tất nhiên, vấn đề là toàn cầu; giải pháp là toàn cầu. Nhưng sau đó, mối liên hệ với hành trình cá nhân của tôi, cộng với giải pháp đến từ lục địa quê hương của tôi, khiến tôi tự mình kết nối với vấn đề và giải pháp.”
Các thí nghiệm có quy mô
Abate và các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của ông đang xây dựng công thức cho một chất lỏng sẽ tạo ra phản ứng hóa học kích hoạt quá trình sản xuất hydro trong đá. Thành phần chính là nước và nhóm nghiên cứu đang thử nghiệm các vật liệu "đơn giản" để làm chất xúc tác giúp tăng tốc phản ứng và từ đó tăng lượng hydro được tạo ra, theo Yifan Gao, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ.
"Một số chất xúc tác rất tốn kém và khó sản xuất, đòi hỏi quá trình sản xuất hoặc chuẩn bị phức tạp", Gao nói. "Một chất xúc tác rẻ tiền và dồi dào sẽ cho phép chúng tôi tăng tốc độ sản xuất — theo cách đó, chúng tôi sản xuất nó ở mức khả thi về mặt kinh tế, nhưng cũng có năng suất khả thi về mặt kinh tế".
Có thể tìm thấy các loại đá giàu sắt trong đó phản ứng hóa học xảy ra trên khắp Hoa Kỳ và thế giới. Để tối ưu hóa phản ứng trên nhiều thành phần địa chất và môi trường khác nhau, Abate và Gao đang phát triển cái mà họ gọi là hệ thống thông lượng cao, bao gồm phần mềm trí tuệ nhân tạo và rô bốt, để thử nghiệm các hỗn hợp chất xúc tác khác nhau và mô phỏng những gì sẽ xảy ra khi áp dụng cho các loại đá từ nhiều vùng khác nhau, với các điều kiện bên ngoài khác nhau như nhiệt độ và áp suất.
“Và từ đó, chúng tôi đo được lượng hydro mà chúng tôi sản xuất được cho mỗi sự kết hợp có thể”, Abate nói. “Sau đó, AI sẽ học hỏi từ các thí nghiệm và gợi ý cho chúng tôi, ‘Dựa trên những gì tôi đã học được và dựa trên tài liệu, tôi đề xuất bạn thử nghiệm thành phần vật liệu xúc tác này cho loại đá này.’”
Nhóm đang viết một bài báo về dự án của mình và đặt mục tiêu công bố những phát hiện của mình trong những tháng tới.
Cột mốc tiếp theo của dự án, sau khi phát triển công thức xúc tác, là thiết kế một lò phản ứng phục vụ hai mục đích. Đầu tiên, được trang bị các công nghệ như quang phổ Raman, lò phản ứng này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu xác định và tối ưu hóa các điều kiện hóa học dẫn đến tốc độ và năng suất sản xuất hydro được cải thiện. Thiết bị quy mô phòng thí nghiệm này cũng sẽ cung cấp thông tin cho thiết kế của một lò phản ứng thực tế có thể đẩy nhanh quá trình sản xuất hydro tại hiện trường.
Abate nói: “Đó sẽ là một lò phản ứng quy mô nhà máy được cấy ghép vào lòng đất”.
Dự án liên ngành này cũng khai thác chuyên môn của Yang Shao-Horn, thuộc Khoa Kỹ thuật Cơ khí và DMSE của MIT, để phân tích tính toán chất xúc tác, và Esteban Gazel, một nhà khoa học của Đại học Cornell, người sẽ chia sẻ chuyên môn của mình về địa chất và địa hóa học. Ông sẽ tập trung vào việc tìm hiểu các thành tạo đá siêu mafic giàu sắt trên khắp Hoa Kỳ và toàn cầu và cách chúng phản ứng với nước.
Đối với Wicks tại ARPA-E, những câu hỏi mà Abate và những người nhận tài trợ khác đang đặt ra chỉ là những bước đầu tiên, quan trọng trong lãnh thổ năng lượng chưa được khám phá.
"Nếu chúng ta có thể hiểu cách kích thích những loại đá này tạo ra hydro, đưa nó lên một cách an toàn, thì nó thực sự giải phóng nguồn năng lượng tiềm năng", ông nói. Sau đó, ngành công nghiệp mới nổi sẽ hướng đến dầu khí để khoan, lắp đặt đường ống và khai thác khí kiến thức chuyên môn. “Như tôi muốn nói, đây là công nghệ cho phép chúng tôi hy vọng, trong thời gian rất ngắn, có thể cho phép chúng tôi nói rằng, ‘Có thực sự có thứ gì đó ở đó không?’”
