Cuộc đua toàn cầu để mở khóa hydro dưới lòng đất: Tương lai của năng lượng sạch vô hạn
Việc phát hiện ra hydro tinh khiết 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 làm cho nó 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 khí mêtan. Tuy nhiên, việc phát hiện ra các túi hydro tinh khiết dưới lòng đất tự nhiên đang thách thức giả định này. Những trữ lượng ẩn này đang thu hút sự chú ý như một nguồn năng lượng không carbon tiềm năng vô hạn.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là một trong những người chú ý. Năm nay, họ đã trao 20 triệu đô la tài trợ nghiên cứu cho 18 nhóm từ các phòng thí nghiệm, trường đại học và các công ty tư nhân. Mục tiêu: phát triển các công nghệ có thể sản xuất nhiên liệu sạch, hiệu quả về chi phí từ các nguồn hydro ngầm.
Được gọi là hydro địa chất, 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 dẫn 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 việc của họ sẽ kiểm tra các yếu tố chính như chất xúc tác để kích hoạt phản ứng, nhiệt độ, áp suất và mức độ pH. Mục tiêu cuối cùng là nâng cao hiệu quả cho sản xuất quy mô lớn, làm cho hydro địa chất trở thành một nguồn năng lượng khả thi, cạnh tranh cho nhu cầu toàn cầu.
Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ ước tính có khả năng có hàng tỷ tấn hydro địa chất bị chôn vùi trong vỏ Trái đất. Tích lũy đã được phát hiện trên toàn thế giới và một loạt các công ty khởi nghiệp đang tìm kiếm các khoản tiền gửi có thể khai thác. Abate đang tìm cách bắt đầu quá trình sản xuất hydro tự nhiên, thực hiện các phương pháp tiếp cận "chủ động" liên quan đến việc kích thích sản xuất và thu hoạch khí đốt.
Abate, Giáo sư Phát triển Chipman tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (DMSE), cho biết:
Chúng tôi mong muốn tối ưu hóa các thông số phản ứng để làm cho phản ứng nhanh hơn và tạo ra hydro một cách khả thi về mặt kinh tế,
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.
Lợi ích toàn cầu và triển vọng thương mại
Sự quan tâm đến hydro địa chất đang tăng lên vào thời điểm các chính phủ trên toàn thế giới đang tìm kiếm các giải pháp thay thế năng lượng không carbon cho dầu khí. Vào tháng 12, Tổng thống Pháp Emmanuel Macron cho biết chính phủ của ông sẽ cung cấp tài trợ để thăm dò hydro tự nhiên. Và vào tháng Hai, các nhân chứng của chính phủ và khu vực tư nhân đã thông báo 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 và hóa chất và thép, nhưng hầu hết các phương pháp 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, rất hứa hẹn, nhưng ở mức 7 đô la mỗi kg, nó rất đắt.
Douglas Wicks, giám đốc chương trình tại Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến - Năng lượng (ARPA-E), tổ chức Bộ Năng lượng dẫn đầu chương trình tài trợ hydro địa chất, cho biết:
Nếu bạn nhận được hydro với giá một đô la một kg, nó sẽ cạnh tranh với khí đốt tự nhiên trên cơ sở giá năng lượng,
Những người nhận tài trợ ARPA-E bao gồm Trường Mỏ Colorado, Đại học Công nghệ Texas 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 áp dụng các phương pháp dầu khí công nghiệp để sản xuất và khai thác hydro đến phát triển các mô hình để hiểu sự hình thành hydro trong đá. Mục đích: để giải quyết các câu hỏi trong cái mà Wicks gọi là "khoảng trắng hoàn toàn".
Wicks nói,
Trong hydro địa chất, chúng ta không biết làm thế nào chúng ta có thể đẩy nhanh quá trình sản xuất nó, bởi vì nó là một phản ứng hóa học, chúng ta cũng không thực sự hiểu làm thế nào để thiết kế dưới bề mặt để chúng ta có thể khai thác nó một cách an toàn.
"Chúng tôi đang cố gắng mang lại những kỹ năng tốt nhất của từng nhóm khác nhau để làm việc này với ý tưởng rằng nhóm sẽ có thể cung cấp cho chúng tôi câu trả lời tốt trong một khung thời gian khá nhanh."
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 ẩn số còn dài, cũng như con đường dẫn đến các dự án thương mại đầu tiên. Nhưng ông nói rằng những nỗ lực kích thích sản xuất hydro - để khai thác phản ứng tự nhiên giữa nước và đá - mang lại "tiềm năng to lớn".
Zgonnik, Giám đốc điều hành và người sáng lập Natural Hydrogen Energy, một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Denver có hợp đồng thuê khoáng sản để khoan thăm dò ở Hoa Kỳ, cho biết:
Ý tưởng là tìm cách chúng ta có thể đẩy nhanh phản ứng đó và kiểm soát nó để chúng ta có thể sản xuất hydro theo yêu cầu ở những nơi cụ thể.
"Nếu chúng ta có thể đạt được mục tiêu đó, điều đó có nghĩa là chúng ta có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng hydro kích thích."
Động lực cá nhân và đổi mới
Đối với Abate, mối liên hệ với dự án là cá nhân. Khi còn là một đứa trẻ ở quê hương ở Ethiopia, mất điện là điều thường xảy ra - đèn sẽ tắt ba, có thể bốn ngày một tuần. Những ngọn nến nhấp nháy hoặc đèn dầu hỏa phát thải chất ô nhiễm thường là nguồn sáng duy nhất để làm bài tập về nhà vào ban đêm.
Abate nói:
Và đối với gia đình, chúng tôi phải sử dụng củi và than củi cho các công việc như nấu ăn,
"Đó là câu chuyện của tôi cho đến cuối trung học và trước khi tôi đến Mỹ để học đại học."
Năm 1987, các thợ đào giếng khoan nước ở Mali ở Tây Phi đã phát hiện ra một mỏ hydro tự nhiên, gây ra một vụ nổ. Nhiều thập kỷ sau, doanh nhân Maliou Diallo và công ty dầu khí Canada của ông đã khai thác giếng và sử dụng động cơ để đốt hydro và cung cấp năng lượng cho điện ở ngôi làng gần đó.
Từ bỏ dầu khí, Diallo đã ra mắt 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.
Abate nói,
Vì vậy, những gì từng được gọi là một lục địa nghèo nàn năng lượng bây giờ đang tạo ra hy vọng cho tương lai của thế giới.
"Tìm hiểu về điều đó là một khoảnh khắc trọn vẹn đối với tôi. Tất nhiên, vấn đề là toàn cầu; Giải pháp là toàn cầu. Nhưng sau đó sự kết nối với hành trình cá nhân của tôi, cộng với giải pháp đến từ lục địa quê hương của tôi, khiến cá nhân tôi kết nối với vấn đề và giải pháp."
Thử nghiệm mở rộng quy mô
Abate và các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của ông đang xây dựng một công thức cho một chất lỏng sẽ gây ra phản ứng hóa học kích hoạt sản xuất hydro trong đá. Thành phần chính là nước và nhóm nghiên cứu đang thử nghiệm các vật liệu "đơn giản" cho chất xúc tác sẽ tăng tốc độ phản ứng và từ đó làm tăng lượng hydro được tạo ra, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Yifan Gao cho biết.
Gao nói,
Một số chất xúc tác rất tốn kém và khó sản xuất, đòi hỏi sản xuất hoặc chuẩn bị phức tạp,
"Một chất xúc tác rẻ tiền và dồi dào sẽ cho phép chúng tôi nâng cao tốc độ sản xuất - bằng cách đó, chúng tôi sản xuất nó với tốc độ khả thi về mặt kinh tế, nhưng cũng với năng suất khả thi về mặt kinh tế."
Các loại đá giàu sắt trong đó phản ứng hóa học xảy ra có thể được tìm thấy trên khắp Hoa Kỳ và thế giới. Để tối ưu hóa phản ứng trên nhiều thành phần địa chất và môi trường, 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 robot, để kiểm tra các hỗn hợp chất xúc tác khác nhau và mô phỏng những gì sẽ xảy ra khi áp dụng cho đá từ các khu vực khác nhau, với các điều kiện bên ngoài khác nhau như nhiệt độ và áp suất.
Abate nói,
Và từ đó, chúng tôi đo lượng hydro mà chúng tôi đang sản xuất cho mỗi sự kết hợp có thể,
"Sau đó, AI sẽ học hỏi từ các thí nghiệm và đề xuất với chúng tôi, 'Dựa trên những gì tôi đã học được và dựa trên tài liệu, tôi đề nghị bạn kiểm tra thành phần vật liệu xúc tác này cho tảng đá này.'"
Nhóm nghiên cứu 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 chất xúc tác, là thiết kế một lò phản ứng sẽ phục vụ hai mục đích. Đầu tiên, được trang bị các công nghệ như quang phổ Raman, nó sẽ cho phép các nhà nghiên cứu xác định và tối ưu hóa các điều kiện hóa học dẫn đến cải thiện tốc độ và năng suất sản xuất hydro. Thiết bị quy mô phòng thí nghiệm cũng sẽ cung cấp thông tin cho thiết kế của một lò phản ứng trong thế giới thực có thể đẩy nhanh quá trình sản xuất hydro tại hiện trường.
Abate nói,
Đó sẽ là một lò phản ứng quy mô thực vật sẽ được cấy vào dưới bề mặt,
Dự án liên ngành cũng đang 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 cho mượn chuyên môn của mình về địa chất và địa hóa. Ông sẽ tập trung vào việc tìm hiểu các khối 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 hỏi chỉ là những bước đầu tiên, quan trọng trong lãnh thổ năng lượng chưa được khám phá.
Anh ấy nói,
Nếu chúng ta có thể hiểu cách kích thích những tảng đá này tạo ra hydro, đưa nó lên một cách an toàn, nó thực sự giải phóng nguồn năng lượng tiềm năng,
Sau đó, ngành công nghiệp mới nổi sẽ tìm đến dầu khí để có bí quyết khoan, đường ống và khai thác khí. "Như tôi muốn nói, đây là công nghệ cho phép mà chúng tôi hy vọng, trong một thời gian rất ngắn, cho phép chúng tôi nói, 'Có thực sự có điều gì đó ở đó không?'"
Cuộc đua toàn cầu để mở khóa hydro dưới lòng đất: Tương lai của năng lượng sạch vô hạn,
