Dự đoán mô hình về nguồn tài nguyên hydro địa chất toàn cầu

Dự đoán mô hình về nguồn tài nguyên hydro địa chất toàn cầu
Geoffrey S. Ellis https://orcid.org/0000-0003-4519-3320 và Sarah E. Gelman https://orcid.org/0000-0003-2549-9509Thông tin & Liên kết của tác giả

Tiến bộ khoa học

13 tháng 12 năm 2024

Tóm tắt
Hydro địa chất có thể là nguồn năng lượng chính ít carbon; tuy nhiên, quy mô của nguồn tài nguyên dưới bề mặt Trái đất vẫn chưa được đánh giá. Kiến thức về sự xuất hiện và hành vi của hydro tự nhiên trên Trái đất đã được kết hợp với thông tin từ các chất tương tự địa chất để xây dựng mô hình cân bằng khối lượng nhằm dự đoán tiềm năng tài nguyên. Với sự không chắc chắn liên quan, kết quả mô hình ngẫu nhiên dự đoán một phạm vi rộng các giá trị cho nguồn tài nguyên hydro tiềm năng tại chỗ [103 đến 1010 triệu tấn (Mt)] với giá trị có khả năng xảy ra cao nhất là ~5,6 × 106 Mt. Mặc dù phần lớn lượng hydro này có khả năng không thực tế để thu hồi, nhưng một phần nhỏ (ví dụ: 1 × 105 Mt) sẽ cung cấp lượng hydro dự kiến ​​cần thiết để đạt được mức phát thải carbon ròng bằng 0 trong ~200 năm. Lượng hydro này chứa nhiều năng lượng hơn (~1,4 × 1016 MJ) so với tất cả các trữ lượng khí đốt tự nhiên đã được chứng minh trên Trái đất (~8,4 × 1015 MJ). Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng cần phải nghiên cứu thêm để hiểu được tiềm năng của các nguồn tài nguyên hydro địa chất.

GIỚI THIỆU
Hydro dự kiến ​​sẽ chiếm tới 30% nguồn cung cấp năng lượng trong tương lai ở một số lĩnh vực, với nhu cầu toàn cầu tăng hơn năm lần vào năm 2050 (1). Để đạt được mục tiêu phát thải carbon ròng bằng 0, nguồn cung cấp hydro trong tương lai dự kiến ​​sẽ thu được từ quá trình điện phân nước bằng điện tái tạo (còn gọi là hydro xanh) và từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch kết hợp với thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (còn gọi là hydro xanh) (2). Tuy nhiên, để đạt được mức sản xuất này sẽ đòi hỏi phải phát triển cơ sở hạ tầng với tốc độ chưa từng có (3), cũng như đóng góp đáng kể từ các công nghệ hiện không khả thi về mặt thương mại (2). Ngoài ra, sản xuất hydro có thể không thân thiện với khí hậu như trước đây vẫn cho là (4–6). Hiện nay, hydro thường được coi là phương tiện lưu trữ và vận chuyển năng lượng chứ không phải là nguồn tài nguyên chính (7). Tuy nhiên, một phát hiện gần đây về sự tích tụ đáng kể hydro tự nhiên ở Mali, Châu Phi (8–10) đã thách thức quan điểm lâu nay cho rằng các mỏ như vậy không tồn tại (11, 12). Các nhà khoa học về địa chất ngày càng nhận ra rằng các công cụ thăm dò phù hợp chưa được triển khai tại các địa điểm thích hợp để thực sự đánh giá tiềm năng tài nguyên của hydro tự nhiên trong lòng đất của Trái đất (11–15). Thông tin liên quan đến tiềm năng tài nguyên của hydro địa chất có thể hỗ trợ các nhà hoạch định chính sách, nhà quản lý tài nguyên, công ty thăm dò và nhà đầu tư trong quá trình ra quyết định. Tuy nhiên, sự không chắc chắn liên quan đến việc tạo ra, di chuyển, tích tụ và bảo tồn hydro trong lòng đất khiến việc xác định chính xác khối lượng tiềm năng tại thời điểm này là không thể.

Một biên soạn gần đây về các nghiên cứu đã công bố về việc tạo ra hydro tự nhiên trên toàn cầu trong mọi bối cảnh địa chất ước tính khối lượng là 15 đến 31 triệu tấn (Mt hoặc 109 g) mỗi năm (16). Vì nhu cầu hydro toàn cầu dự kiến ​​sẽ đạt ~530 Mt năm−1 vào năm 2050 (1), nên sản lượng hydro được tạo ra hàng năm trong lòng đất của Trái đất có thể chỉ chiếm một phần nhỏ trong nguồn cung cần thiết. Tuy nhiên, tiềm năng tài nguyên cho hydro địa chất không chỉ phụ thuộc vào tốc độ tạo ra mà còn phụ thuộc vào xu hướng hydro bị mắc kẹt trong lòng đất và khả năng tích tụ được bảo tồn. Mặc dù có sự không chắc chắn liên quan đến sự hiện diện của hydro trong lòng đất, nhưng người ta đã biết nhiều về sự xuất hiện và hành vi của nó (16). Có thể đưa ra thêm suy luận bằng cách sử dụng kiến ​​thức thu được từ các nghiên cứu về quá trình di chuyển, tích tụ và bảo tồn chất lỏng trong các lĩnh vực khác như địa chất dầu mỏ, năng lượng địa nhiệt và khoáng chất thủy nhiệt. Thông tin từ các nghiên cứu này có thể được kết hợp để cung cấp một số hạn chế về quy mô có thể có của các nguồn tài nguyên hydro địa chất trong lòng đất. Chúng tôi trình bày ở đây một mô hình về nguồn tài nguyên hydro địa chất tiềm năng toàn cầu dựa trên phương pháp cân bằng khối lượng (Hình 1Mở trong trình xem hình ảnh). Kết quả mô hình được so sánh với nhu cầu dự kiến ​​về hydro để xác định xem hydro tự nhiên có thể đáp ứng đủ một phần nhu cầu trong tương lai để xứng đáng được điều tra và thăm dò thêm hay không. Kết quả cũng có thể cung cấp một số hiểu biết sâu sắc về các yếu tố có tác động lớn nhất đến tiềm năng tài nguyên hydro địa chất, làm nổi bật các lĩnh vực có thể là ưu tiên cho các nỗ lực nghiên cứu.

 

Hình 1. Mô hình khái niệm về các nguồn tài nguyên hydro địa chất.

Các đầu vào của mô hình bao gồm lượng hydro tự nhiên được tạo ra hàng năm, tỷ lệ hydro bị giữ lại trong các bẫy, thời gian lưu trú trong các hồ chứa, tỷ lệ mất mát sinh học và phi sinh học, và tỷ lệ sản xuất nhân tạo. Các đầu ra được tính toán của mô hình là lượng hydro được lưu trữ trong các hồ chứa tại một thời điểm nhất định và thông lượng vào khí quyển.

KẾT QUẢ
Thông lượng hydro hàng năm được tính toán từ bề mặt bên dưới lên khí quyển, là tổng lượng hydro không bị giữ lại và rò rỉ trừ đi lượng hydro được tiêu thụ bởi các quá trình sinh học và phi sinh học, đã được so sánh với các ước tính đã công bố để kiểm tra các tính toán mô hình của chúng tôi (Hình 2Mở trong trình xem hình ảnh). Thông lượng tự nhiên ước tính vào khí quyển từ mô hình của chúng tôi dao động từ <1 đến ~1 × 103 Mt năm−1 với giá trị có khả năng xảy ra nhất là ~24 Mt năm−1 (trung bình là ~50 Mt năm−1). Người ta cho rằng thông lượng hydro tự nhiên lớn nhất đã biết từ bề mặt bên dưới lên khí quyển đến từ các bối cảnh núi lửa và thủy nhiệt, ước tính là ~9,6 ± 7,2 Mt năm−1 (17). Giá trị cao nhất của ước tính này (16,8 Mt năm−1) tương tự như thông lượng hydro tự nhiên ước tính có khả năng xảy ra nhất từ ​​lòng đất được mô hình của chúng tôi dự đoán. Các đóng góp bổ sung của hydro vào khí quyển từ các vết rò rỉ vĩ mô và vi mô trên cạn không được giới hạn tốt và có thể dễ dàng chiếm một phần đáng kể trong thông lượng ước tính (16–19). Hầu hết (~75%) thông lượng hydro tự nhiên vào khí quyển được cho là được đất hấp thụ, nhưng có nhiều bất ổn liên quan đến cường độ và cơ chế (20). Đất có thể tiêu thụ một lượng hydro lớn hơn đáng kể so với ước tính hiện tại hoặc các bồn chứa hydro khác trên bề mặt Trái đất vẫn có thể được nhận ra.

 

Hình 2. Thông lượng hydro hàng năm ước tính vào khí quyển.

Tổng lượng hydro được tạo ra không bị giữ lại hoặc tiêu thụ cộng với lượng rò rỉ ra khỏi các bể chứa và không được tiêu thụ được coi là thông lượng vào khí quyển (các thanh màu xanh lam). Các thiết lập núi lửa và thủy nhiệt được cho là nguồn hydro lớn nhất từ ​​bên dưới bề mặt, đóng góp ~9,6 ± 7,2 Mt năm−1 vào khí quyển (thanh màu đỏ) (17). Các đóng góp bổ sung của hydro vào khí quyển từ các vết rò rỉ vĩ mô và vi mô trên cạn không được giới hạn tốt (16) và có thể giải thích cho thông lượng dự đoán bổ sung.

Quy mô của nguồn tài nguyên hydro địa chất tại chỗ toàn cầu hiện nay, trước khi sản xuất do con người tạo ra, có thể được tính toán từ các phương trình mô hình cân bằng khối lượng. Tổng lượng hydro tự nhiên toàn cầu được tính toán trong bên dưới bề mặt dao động từ 103 đến 1010 Mt hydro, với giá trị có khả năng xảy ra nhất là ~5,6 × 106 Mt (trung bình là ~6,8 × 107 Mt) (Hình 3Mở trong trình xem hình ảnh). Các hệ số tương quan được tính toán chỉ định sự đóng góp tương đối của từng đầu vào mô hình vào phân phối đầu ra. Các giá trị này cho thấy thời gian lưu trú trong các hồ chứa liên quan đến tiêu thụ sinh học có tác động lớn nhất đến tiềm năng tài nguyên hydro địa chất dự đoán, tiếp theo là tốc độ tạo ra tự nhiên (Bảng 1Mở trong trình xem hình ảnh). Quy mô tiêu thụ hydro liên quan đến di cư và lượng rò rỉ hydro từ các hồ chứa có tác động không đáng kể đến tiềm năng tài nguyên dự đoán.

 

Hình 3. Phân phối lượng dự đoán của các nguồn tài nguyên hydro địa chất tại chỗ.

Giá trị dao động từ 103 đến 1010 Mt, với ~5,6 × 106 Mt là giá trị có khả năng xảy ra nhất (P50) và giá trị trung bình là ~6,8 × 107 Mt.

Tham số đầu vào Min Mid Max Hệ số tương quan
Thế hệ H2 (Mt năm−1) 25 500 25 × 103 0,44
Thời gian lưu trú do rò rỉ bẫy (năm) 1 × 105 5 × 107 5 × 109 0,09
Thời gian lưu trú do tiêu thụ trong hồ chứa (năm) 1 × 104 1,4 × 106 5 × 109 0,72
Hiệu suất bẫy (phần trăm) 0,001 0,01 0,1 0,30
Tiêu thụ (phần) 0,9 0,95 0,99999 0,0014
Tỷ lệ nông (phần) 0,9 0,99 0,999 0,016
Tỷ lệ sâu (phần) 0,1 0,01 0,001 −0,016
Mở rộng để biết thêm

Bảng 1. Giá trị đầu vào mô hình và hệ số tương quan đầu ra.

Giá trị tối thiểu, tối đa và điểm giữa cho các giá trị đầu vào được tóm tắt từ các nguồn tài liệu và được sử dụng trong các phép tính mô hình. Phạm vi giá trị đầu vào được phân phối bình thường như thể hiện trong hình S2. Hệ số tương quan được tính toán với các đầu ra của mô hình.

THẢO LUẬN
Do có sự không chắc chắn trong quá trình xây dựng mô hình và các đầu vào, nên kết quả mô hình được xem là phép tính gần đúng bậc nhất về độ lớn của nguồn tài nguyên hydro địa chất tiềm năng tại chỗ. Mô hình không đưa ra dự đoán nào về sự phân bố của hydro trong lòng đất, điều này rất quan trọng đối với khả năng tồn tại về mặt kinh tế của bất kỳ nguồn tài nguyên tiềm năng nào (21). Với những gì đã biết về sự phân bố của các chất lỏng dầu mỏ và không phải dầu mỏ (ví dụ: heli và CO2) trong lòng đất, có khả năng việc thu hồi hầu hết hydro dưới lòng đất có thể được mong đợi là ở các khu vực tích tụ quá sâu, quá xa bờ hoặc quá nhỏ để có thể thu hồi về mặt kinh tế. Tuy nhiên, ngay cả khi một lượng nhỏ trong số các nguồn tài nguyên tại chỗ có khả năng dự đoán cao nhất (~5,6 × 106 Mt) có thể thu hồi được, thì đây có thể là một nguồn tài nguyên đáng kể. Nhu cầu hydro toàn cầu dự kiến ​​sẽ đạt ~500 Mt năm−1 vào năm 2050 (1) và việc thu hồi chỉ 2% trong số các nguồn tài nguyên tại chỗ có khả năng ước tính cao nhất nguồn tài nguyên này sẽ đáp ứng toàn bộ nhu cầu hydro toàn cầu dự kiến ​​trong khoảng 200 năm. Hơn nữa, chúng tôi tính toán hàm lượng năng lượng của lượng hydro ước tính có thể thu hồi này (~1 × 105 Mt) là ~1,4 × 1016 MJ, gần gấp đôi lượng năng lượng trong tất cả các trữ lượng khí đốt tự nhiên đã được chứng minh trên Trái đất (~8,4 × 1015 MJ).

Ước tính tài nguyên tại chỗ của chúng tôi chỉ dành cho hydro tự nhiên có khả năng được lưu trữ trong các tích tụ dưới bề mặt. Người ta cho rằng tốc độ tạo ra hydro có thể đủ nhanh để có thể sản xuất kinh tế từ các dòng chảy dưới bề mặt mà không cần bể chứa, bẫy và niêm phong (14, 22). Ngoài ra, có thể kích thích sản xuất hydro tự nhiên để tăng tốc độ tạo ra hoặc tạo ra sản lượng trong các bối cảnh mà nó có tiềm năng nhưng không tự nhiên (23). Mặc dù quy mô đóng góp tiềm năng của hydro từ thế hệ tự nhiên và kích thích theo thời gian thực hiện tại không bị hạn chế, nhưng những đóng góp này có thể tạo nên sự bổ sung đáng kể cho nguồn tài nguyên tại chỗ được cho là tồn tại trong các bể chứa ngầm.

Có tầm quan trọng ngang bằng với quy mô của nguồn tài nguyên tiềm năng là thời gian có thể cần thiết để phát triển nó. Nguồn cung cấp hydro carbon thấp sẵn có sẽ chỉ đóng góp có ý nghĩa vào việc đạt được mục tiêu phát thải carbon ròng bằng 0 nếu nó có thể được phát triển trong nhiều năm hoặc nhiều thập kỷ thay vì nhiều thế kỷ (1). Trong khi việc phát triển các nguồn tài nguyên dầu mỏ phải mất hơn một thế kỷ để đạt đến độ chín muồi, thì có lý do chính đáng để tin rằng các nguồn tài nguyên hydro tự nhiên có thể được phát triển nhanh hơn nhiều. Mặc dù không phải là một phép loại suy hoàn hảo, nhưng kinh nghiệm phát triển tài nguyên khí đá phiến của Hoa Kỳ cho thấy rằng hydro địa chất có thể bắt đầu đóng góp đáng kể vào nguồn cung cấp năng lượng toàn cầu trong vòng nhiều thập kỷ (24). Mô hình của chúng tôi dự đoán rằng tốc độ sản xuất hydro địa chất có thể cung cấp một nửa nguồn cung cấp hydro xanh dự kiến ​​vào cuối thế kỷ này, điều này sẽ làm giảm đáng kể công suất cần thiết để thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (Hình 4Mở trong trình xem hình ảnh). Tốc độ tiến triển hướng tới việc hiện thực hóa các nguồn tài nguyên hydro địa chất tiềm năng sẽ phụ thuộc phần lớn vào mức độ đầu tư vào việc phát triển các chiến lược thăm dò và sản xuất cũng như các công nghệ liên quan. Hơn nữa, có khoảng 94% khả năng là nguồn tài nguyên hydro tự nhiên dưới lòng đất sẽ vượt quá khả năng khai thác trong tương lai cho đến năm 2100 và có >75% khả năng điều này xảy ra sau năm 2200.

 

Hình 4. Xu hướng mô hình và tương tự được sử dụng để lập mô hình sản xuất hydro nhân tạo trong tương lai.

Đường cong màu đen đậm tương ứng với sản lượng H2 hàng năm được lập mô hình được triển khai trong nghiên cứu này. Để so sánh, đường cong màu xanh lam liền mạch minh họa xu hướng liên tục đối với một nửa sản lượng hydro xanh dự kiến ​​dựa trên ước tính của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) (hình vuông màu vàng) (1). Các tương tự từ sản lượng khí đốt tự nhiên trong lịch sử được chuyển đổi từ khối lượng khí đốt tự nhiên được sản xuất sang khối lượng hydro, đối với cả khí đá phiến của Hoa Kỳ (24) và khí đốt tự nhiên toàn cầu (71).

Một số nghiên cứu gần đây đã tuyên bố rằng tốc độ tạo ra hydro tự nhiên đủ nhanh để có khả năng bù đắp cho tốc độ khai thác nhân tạo từ các hồ chứa, do đó tạo nên một nguồn tài nguyên tái tạo (8, 9, 14). Sử dụng mô hình sản xuất hydro của chúng tôi dựa trên sản lượng khí đốt tự nhiên trong lịch sử, tốc độ sản xuất hydro tái tạo toàn cầu có khả năng xảy ra nhất (P50) được ước tính là khoảng 5 Mt năm−1 (P90 = 1 Mt; P10 = 29 Mt) (Hình 5Mở trong trình xem hình ảnh), sẽ đáp ứng <1% nhu cầu hydro dự kiến ​​trên toàn thế giới vào năm 2050 (1). Tốc độ khai thác hydro chậm hơn có thể làm tăng lượng tài nguyên tái tạo được sản xuất hàng năm nhưng sẽ làm giảm sự đóng góp của hydro tự nhiên vào quá trình khử cacbon cho nguồn cung cấp năng lượng. Tuy nhiên, mô hình của chúng tôi không tính đến hydro địa chất tiềm năng có thể được sản xuất khi nó được tạo ra hoặc di chuyển qua bề mặt bên dưới, đây sẽ là một nguồn tài nguyên tái tạo. Hình thức sản xuất hydro địa chất này hoàn toàn là giả thuyết và hiện tại không thể ước tính được quy mô của nguồn tài nguyên này.

 

Hình 5. Tiềm năng hydro địa chất tái tạo được dự đoán.

Kết quả của hydro nạp lại trạng thái ổn định (mới được tạo ra, di chuyển và bị giữ lại) được gọi là hydro "tái tạo".
Mô hình của chúng tôi cung cấp một khuôn khổ ban đầu để đánh giá tiềm năng tài nguyên toàn cầu của hydro tự nhiên. Lượng hydro tại chỗ ước tính trong lòng đất của Trái đất là rất không chắc chắn, thay đổi trong bảy cấp độ lớn; tuy nhiên, thông lượng dự đoán vào khí quyển ít thay đổi hơn (ba cấp độ lớn), với giá trị có khả năng xảy ra nhất xấp xỉ trong phạm vi hệ số 2 của các quan sát hiện tại. Phương pháp tiếp cận có thể được cải thiện khi có thêm kiến ​​thức và sẽ được hưởng lợi từ các ràng buộc về địa lý và địa tầng. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng một nguồn tài nguyên hydro đáng kể có thể 

trong lòng đất, nếu được chứng minh, quy mô của nó có thể đóng góp đáng kể vào quá trình khử cacbon của các nguồn năng lượng nhưng không có khả năng tái tạo. Những phát hiện này chỉ ra rằng cần phải nghiên cứu thêm trong lĩnh vực này. Hiểu rõ hơn về tỷ lệ và các biện pháp kiểm soát mức tiêu thụ hydro địa chất trong quá trình tích tụ dưới lòng đất và ước tính chính xác hơn về tỷ lệ tạo ra hydro tự nhiên sẽ cải thiện dự đoán của mô hình về tiềm năng tài nguyên. Việc hiện thực hóa các nguồn hydro tự nhiên tiềm năng sẽ đòi hỏi phải hiểu biết sâu hơn về các quá trình dẫn đến sự tích tụ hydro trong lòng đất cũng như các phương pháp tối ưu để tìm ra các nguồn tài nguyên này.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Suy ra phương trình mô hình cân bằng khối lượng
Để hạn chế tiềm năng tài nguyên dưới lòng đất ước tính của hydro địa chất, chúng tôi đã áp dụng một phương pháp cân bằng khối lượng đơn giản mô tả các nguồn và bể chứa dự kiến ​​của hydro tự nhiên trong lớp vỏ Trái đất (hình S1). Dòng tạo ra hydro địa chất ở lớp đất sâu bên dưới được coi là nguồn hydro chính của mô hình. Bể chứa địa chất chính là mức tiêu thụ sinh học hoặc phi sinh học. Hydro được tạo ra về mặt địa chất có thể bị giữ lại trong một bể chứa ngầm hoặc không bao giờ bị giữ lại và rò rỉ trực tiếp lên bề mặt. Trong trường hợp trước, chúng tôi cho rằng hydro có thể bị tiêu thụ trong bể chứa và các bẫy có thể bị rò rỉ theo thang thời gian địa chất. Ở đây, chúng tôi suy ra các phương trình cân bằng khối lượng của mô hình như được thể hiện sơ đồ trong Tài liệu bổ sung (hình S1); tóm tắt về danh pháp được cung cấp trong bảng S1.

Chúng tôi định nghĩa dòng sinh sản địa chất của hydro trong lòng đất là ∂MP∂t, bằng với dòng hydro bề mặt, ∂MS∂t, cộng với dòng hydro được tiêu thụ theo cách sinh học hoặc phi sinh học trong lòng đất, ∂MB∂t
∂MP∂t=∂MS∂t+∂MB∂t

(1)

Dòng bề mặt này bao gồm hydro được tạo ra và không bao giờ bị giữ lại trong một bể chứa dưới lòng đất (“không bao giờ bị giữ lại”) hoặc bị giữ lại và sau đó bị rò rỉ theo thời gian địa chất (“bị rò rỉ”). Hydro bị giữ lại nhưng không bao giờ bị rò rỉ sẽ không di chuyển lên bề mặt và do đó sẽ không được đưa vào dòng bề mặt. Việc tiêu thụ sinh học hoặc phi sinh học làm giảm lượng hydro được tạo ra theo cả hai con đường lên bề mặt. Để mô tả tỷ lệ hydro được tạo ra và bị giữ lại, chúng tôi định nghĩa hiệu quả giữ lại, ϵϵ.

Phần thông lượng bề mặt không bao giờ bị giữ lại (và vẫn còn sau khi tiêu thụ sinh học/phi sinh học) là
ϵ(∂MS∂t)NT=(1−ϵ)(1−fB)∂MP∂t

(2)

Phần thông lượng bề mặt bị giữ lại nhưng bị rò rỉ đòi hỏi tốc độ rò rỉ hydro từ các bể chứa ở bên dưới bề mặt, được ký hiệu là ∂ML∂t. Để đơn giản, chúng ta coi đây là một quá trình phân rã phụ thuộc vào thời gian, trong đó hằng số phân rã, λλ, mô tả chu kỳ bán rã của hydro bị giữ lại, thời gian lưu trú được ký hiệu là ττ, và khối lượng hydro bị giữ lại trong các bể chứa tại bất kỳ thời điểm nào là MR
λτ∂ML∂t=λLMR=MRτL

(3)

Tiếp theo, tốc độ tiêu thụ sinh học và phi sinh học phải được xác định. Chúng tôi xem xét bốn thuật ngữ để nắm bắt các quá trình này: (i) tiêu thụ xảy ra trong quá trình di cư, tập trung vào hydro không bao giờ bị giữ lại trong các bể chứa; (ii) tiêu thụ xảy ra trong quá trình di cư, tập trung vào hydro di chuyển trong lớp dưới bề mặt sâu ở nhiệt độ cao và có thể xảy ra trước khi bị giữ lại; (iii) tiêu thụ xảy ra trong quá trình di cư, tập trung vào hydro di chuyển trong lớp dưới bề mặt nông ở nhiệt độ thấp và có thể xảy ra với hydro sau khi nó rò rỉ từ các bể chứa; và (iv) tiêu thụ xảy ra cục bộ trong các bể chứa. Giải thích thêm về hiệu quả của tiêu thụ sâu (có thể bị chi phối bởi các quá trình phi sinh học) so với tiêu thụ nông (có thể bị chi phối bởi các quá trình sinh học) được cung cấp trong phần "Mất mát sinh học và phi sinh học".

Để đơn giản, chúng tôi coi lượng hydro tiêu thụ xảy ra trong quá trình di cư là tỷ lệ thuận về độ lớn với dòng hydro sinh tổng thể, trong đó fB biểu thị tỷ lệ hydro được tiêu thụ dọc theo các con đường di cư
∂MB∂t=fB∂MP∂t

(4)

Chúng tôi tiếp tục giả định rằng lượng hydro tiêu thụ sinh học/phi sinh học trong quá trình di cư hiệu quả hơn ở lớp dưới bề mặt nông ở nhiệt độ thấp; do đó, tỷ lệ hydro cao hơn có thể được tiêu thụ sau khi hydro rò rỉ từ các bể chứa trên đường lên bề mặt, trong khi tỷ lệ thấp hơn có thể được tiêu thụ trước khi hydro bị giữ lại trong các bể chứa. Chúng tôi định nghĩa một tham số, x, là tỷ lệ tiêu thụ xảy ra ở lớp dưới bề mặt nông. Cuối cùng, phần thông lượng bề mặt bị rò rỉ (và còn lại sau khi tiêu thụ sinh học/phi sinh học) là
τ(∂MS∂t)L=(1−fB)x∂ML∂t=(1−fB)xMRτL

(5)

Tổng thông lượng bề mặt của cả hydro không bao giờ bị giữ lại và bị rò rỉ được tính bằng cách kết hợp các Phương trình 2 và 5
ϵτ∂MS∂t=(∂MS∂t)NT+(∂MS∂t)L=(1−ϵ)(1−fB)∂MP∂t+(1−fB)xMRτL

(6)

Để xác định thuật ngữ mất hydro trong Phương trình 1, chúng ta phải xem xét nhiều bồn chứa được nêu ở trên liên quan đến mức tiêu thụ, theo 

được định nghĩa trong hình S1. Hydro không bao giờ bị giữ lại nhưng bị tiêu thụ trong quá trình di cư là
ϵ(∂MB∂t)NT=(1−ϵ)fB∂MP∂t

(7)

Hydro được tiêu thụ ở độ sâu trước khi bị giữ lại trong các bể chứa là
ϵ(∂MB∂t)PTD=ϵ1−(1−fB)1−x∂MP∂t

(8)

Hydro được tiêu thụ ở độ sâu nông sau khi rò rỉ từ các bể chứa là
τ(∂MB∂t)PTS=1−(1−fB)xMRτL

(9)

Mặc dù được lưu trữ trong các bể chứa, chúng tôi cũng xem xét sự mất hydro do tiêu thụ sinh học cục bộ. Quá trình này cũng được mô hình hóa như một quá trình phân rã phụ thuộc vào thời gian. Chúng tôi coi sự thay đổi khối lượng hydro trong bể chứa do tiêu thụ cục bộ là
λ(∂MB∂t)R=λCMR=MRτC

(10)

Do đó, tổng của tất cả các điều khoản liên quan đến tiêu thụ là
∂MB∂t=(∂MB∂t)NT+(∂MB∂t)PTD+(∂MB∂t)PTS+(∂MB∂t)R

(11)

Chúng tôi có thể liên hệ tổng thông lượng bề mặt này và tổng tổn thất liên quan đến tiêu thụ trở lại với tổng cân bằng khối lượng, kết hợp các phương trình. 1, 6, 11 và đơn giản hóa
ϵτϵϵττ∂MP∂t=(1−ϵ)(1−fB)∂MP∂t+(1−fB)xMRτL+(1−ϵ)fB∂MP∂t+ϵ1−(1−fB)1−x∂MP∂t+[1−(1−fB)x]MRτL+MRτC

Mở rộng dấu ngoặc đơn
ϵϵτϵϵϵτττ∂MP∂t=[1−fB−ϵ+ϵfB]∂MP∂t+(1−fB)xMRτL+(fB− ϵfB)∂MP∂t+ϵ−ϵ(1−fB)1−x∂MP∂t+MRτL−(1−fB)xMRτL+MRτC

Đã hủy xóa các điều khoản
τϵτττ∂MP∂t=∂MP∂t+(1−fB)xMRτL−ϵ(1−fB)1−x∂MP∂t+MRτL−(1−fB)xMRτL+MRτC

Xóa một tập hợp các điều khoản bị hủy khác
ϵττ0=−ϵ(1−fB)1−x∂MP∂t+MRτL+MRτC

Sắp xếp lại và giải quyết đối với MR
ϵττϵ(1−fB)1−x∂MP∂t=MRτL+MRτC

ϵττϵ(1−fB)(1−x)1τL+1τC∂MP∂t=MR

(12)

Do đó, phương trình 12 cung cấp một giải pháp phân tích cho khối lượng hydro bị mắc kẹt trong lòng đất (MR) trước khi con người thám hiểm (trạng thái ổn định; Hình 3Mở trong trình xem ảnh).

Việc thăm dò và sản xuất hydro của con người sẽ phá vỡ giải pháp trạng thái ổn định thu được trong Phương trình 12. Điều này đòi hỏi phải kết hợp các tổn thất tạm thời của hydro bị mắc kẹt do khai thác tài nguyên và hiệu ứng cân bằng của việc nạp lại các bẫy này do sự di chuyển liên tục của hydro từ thế hệ sâu. Do đó, chúng tôi tìm cách thu được một hàm cho sự thay đổi khối lượng hydro bị mắc kẹt theo thời gian, ∂MR∂t. Trước bất kỳ cuộc thám hiểm nào của con người, dòng hydro bị giữ lại này chỉ phụ thuộc vào dòng hydro rò rỉ từ các bẫy, ∂ML∂t, và một thuật ngữ mô tả quá trình nạp lại hydro sâu, được sản xuất về mặt địa chất được biểu thị bằng ∂MF∂t
∂MR∂t=∂MF∂t−∂ML∂t

(13)

Sử dụng các thuật ngữ trong hình. S1 đối với ∂MF∂t, phương trình cân bằng khối lượng cho sự thay đổi trong hydro bị giữ lại theo thời gian là
ϵττ∂MR∂t=ϵ(1−fB)(1−x)∂MP∂t−MRτL−MRτC

(14)

Cuối cùng, có thể thêm một thuật ngữ bổ sung để nắm bắt sản xuất nhân tạo, đưa ra phương trình cân bằng khối lượng chính được sử dụng cho nghiên cứu này
ϵττ∂MR∂t=ϵ(1−fB)(1−x)∂MP∂t−MRτ−MRτC−∂MD∂t

(15)

Điều này có thể được kiểm tra bằng các phương trình cân bằng khối lượng toàn cục ở trên. Ở trạng thái ổn định, ∂MR∂t=0 và ∂MD∂t=0. Điều này giảm xuống còn
ϵττ0=ϵ(1−fB)(1−x)∂MP∂t−MRτ−MRτC

(16) tương đương với Phương trình 12.

Phương pháp mô hình số
Khối lượng hydro bị giữ lại trong bề mặt bên dưới theo thời gian được mô tả bởi Phương trình 14. Đây là một phương trình vi phân thường và được giải bằng thuật toán Runge-Kutta bậc bốn (25). Một quy trình MATLAB (MathWorks, Natick, MA) đã được tạo ra với các bước chung sau:

1) Xác định phân phối đầu vào cho ϵϵ, fB, x, ττ và ∂MP∂t. Những phân phối này được hiển thị trong hình S2 và được mô tả trong văn bản chính (Bảng 1Mở trong trình xem hình ảnh).

2) Xác định xu hướng sản xuất nhân tạo, được hiển thị trong Hình 4Mở trong trình xem hình ảnh.

3) Trong một "vòng lặp for" song song, hãy chạy mô phỏng Monte Carlo (50.000 lần chạy) để giải Phương trình 14 bằng thuật toán Runge-Kutta.

4) Kết quả xử lý sau.

Tất cả các tập lệnh MATLAB được sử dụng để tính toán đầu ra của mô hình đều có trong Tài liệu bổ sung.

Ước tính phạm vi đầu vào
Mô hình khái niệm chứa các đầu vào bao gồm lượng hydro tự nhiên được tạo ra hàng năm, tỷ lệ hydro có thể được giữ lại trong bẫy, thời gian lưu trú trong các bể chứa, tỷ lệ hydro bị mất thông qua các quá trình sinh học và phi sinh học, và tốc độ khai thác liên quan đến khai thác nhân tạo (Hình 1Mở trong trình xem hình ảnh). Do có sự không chắc chắn lớn liên quan đến tốc độ tạo ra hydro, hiệu quả bẫy và thời gian lưu trú, các đầu vào này được biểu diễn bằng phân phối chuẩn theo thang logarit (hình S2). Điều này tạo ra phân phối chuẩn logarit theo thang tuyến tính, với việc lấy mẫu ưu tiên tập trung vào phần cuối thấp. Lượng hydro bị mất và tốc độ sản xuất nhân tạo giả định được hạn chế tốt hơn và được biểu diễn bằng phân phối tuyến tính (hình S2) và đường cong sản xuất tương tự (Hình 4Mở trong trình xem hình ảnh). Mô hình được cho là ở trạng thái ổn định đối với thông lượng hydro trước khi con người rút khỏi các bể chứa. Phạm vi giá trị đầu vào vào mô hình, được lấy từ các nghiên cứu về sự xuất hiện của hydro tự nhiên và các tương tự địa chất, được mô tả bên dưới và tóm tắt trong Bảng 1Mở trong trình xem hình ảnh. Các đầu ra được tính toán của mô hình là lượng hydro được lưu trữ trong các bể chứa tại một thời điểm nhất định và thông lượng vào khí quyển.

Sản xuất hydro tự nhiên
Sự khan hiếm hydro bản địa như liên quan đến khí hydrocarbon đã thúc đẩy nhận thức dai dẳng rằng nó không xảy ra trên Trái đất (12). Hơn 30 quá trình tự nhiên có khả năng tạo ra hydro đã được xác định, mặc dù hầu hết được cho là chỉ tạo ra một lượng nhỏ (26). Một đánh giá gần đây về sự xuất hiện của hydro tự nhiên trên Trái đất ước tính sản lượng toàn cầu hàng năm từ các môi trường địa chất là 23 ± 8 Mt năm−1 (16). Ước tính này dựa trên một số lượng hạn chế các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và quan sát thực địa đã được ngoại suy ra quy mô toàn cầu. Một số dòng lý luận ủng hộ quan niệm rằng ước tính hiện tại về sản lượng hydro hàng năm trong các bối cảnh địa chất là một giá trị tối thiểu. Các bối cảnh địa chất có khả năng tạo ra lượng hydro lớn nhất vẫn chưa được khám phá đối với các nguồn tài nguyên khí đốt và các khám phá tình cờ thường không được báo cáo (27). Ước tính sớm nhất được công bố về sản lượng hydro địa chất toàn cầu, vào năm 1983, chỉ là 0,027 Mt năm−1 (28), và mọi nghiên cứu sau đó đều dự đoán lượng tăng lên thường là một bậc độ lớn hoặc hơn (16, 29–31). Theo truyền thống, các quan sát tiếp theo về thông lượng hydro từ lòng đất, có thể là đại diện cho tốc độ tạo ra trong một số bối cảnh, thường ghi lại khối lượng lớn hơn so với trước đây. Ví dụ, một phát hiện gần đây trong một mỏ cromit ở Albania đã đo được thông lượng hydro hàng năm lớn hơn hai bậc độ lớn so với bất kỳ quan sát nào trước đó từ bối cảnh ophiolit (0,3667 so với 0,0018 tấn m−2 năm−1) (32). Các khu vực rò rỉ hydro vi mô cũng cung cấp một số bằng chứng bổ sung về quy mô tạo ra hydro hàng năm ở các khu vực địa phương. Ví dụ, thông lượng hydro vào khí quyển tại một địa điểm ở Nga được phát hiện là ~0,25 ± 0,03 Mt năm−1 km−2 (18) và ~1,15 ± 0,15 Mt năm−1 km−2 được ghi nhận tại một địa điểm ở Brazil (19). Ước tính thông lượng hydro từ riêng hai địa điểm này tương đương với ~15% tổng thông lượng từ tất cả các bối cảnh núi lửa và thủy nhiệt đã biết (17). Điều quan trọng cần lưu ý là việc chuyển đổi các phép đo thông lượng bề mặt sang tốc độ tạo ra hydro sâu dưới bề mặt trở nên phức tạp do tiềm năng tạo ra hydro gần bề mặt (33) và sự không chắc chắn trong các mô hình khuếch tán (34), cũng như tiềm năng tiêu thụ hydro đáng kể bởi các quá trình sinh học và phi sinh học dọc theo các con đường di cư (35–37) (xem phần "Mất mát sinh học và phi sinh học"). Điều này dẫn đến suy luận hợp lý rằng các thông lượng hydro quan sát được ở gần bề mặt có khả năng phản ánh tốc độ tạo ra dưới bề mặt lớn hơn nhiều. Ngoài ra, hầu như tất cả các phép đo thông lượng hydro đã công bố đều là ngắn hạn (tính bằng phút đến giờ). Các quan sát chuỗi thời gian hạn chế về thông lượng hydro đã chỉ ra rằng nó có thể rất rời rạc, chứng minh rằng các phép đo tức thời có thể không nắm bắt được thông lượng tối đa [xem ví dụ (19)]. Hơn nữa, các giá trị đã công bố về tốc độ tạo ra hydro trong lòng đất thường là các giá trị tối thiểu bảo thủ (38).

Ngoài ra, các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng việc tạo ra hydro có liên quan đến nhiều loại đá hơn và trong các điều kiện môi trường rộng hơn so với trước đây. Ví dụ, các phản ứng kiểu serpentin hóa liên quan đến việc khử nước bằng các khoáng chất giàu sắt thường được coi là cần nhiệt độ cao (> ~ 200 ° C) (39). Tuy nhiên, ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy các phản ứng này có thể diễn ra ở điều kiện nhiệt độ thấp hơn nhiều (<< 200 ° C) [xem ví dụ (40) và các tài liệu tham khảo trong đó], điều này cho thấy rằng một khối lượng đá lớn hơn nhiều có khả năng tạo ra hydro thông qua các phản ứng serpentin hóa so với ước tính hiện tại về thế hệ toàn cầu hàng năm. Hơn nữa, các loại đá khác trước đây không được tính đến trong ước tính thế hệ toàn cầu gần đây đã được đề xuất là ứng cử viên cho việc tạo ra một lượng lớn hydro bao gồm quá trình khử nước bởi các khoáng chất giàu sắt trong các thành tạo sắt dạng dải (41, 42) và các loại đá giàu hữu cơ có độ trưởng thành nhiệt cao (43, 44). Mahlstedt và cộng sự (44) ước tính rằng thành tạo Patchawarra quá trưởng thành (tức là vượt quá khả năng tạo ra hydrocarbon) ở lưu vực Cooper tại Úc có thể chứa nồng độ hydro phân tử gấp đôi nồng độ khí tự nhiên của đá phiến Barnett phong phú ở Texas, Hoa Kỳ.

Một sự không chắc chắn lớn là thông lượng hydro tiềm tàng từ các đứt gãy vỏ sâu có thể là đường dẫn cho chất lỏng trào lên từ lớp phủ. Mặc dù lớp manti trên chủ yếu là oxi với H–C–O tồn tại dưới dạng CO2 và H2O ở các vùng nông, tính không đồng nhất của lớp manti và sự pha trộn không lý tưởng tạo ra khả năng biến đổi cao trong fo2 (độ bền oxy) của lớp manti (45). Các tính toán lý thuyết chỉ ra rằng ở áp suất >3 GPa (~ độ sâu 100 km), CH4, H2O và H2 là ổn định, với H2 chiếm ~0,05 phần mol của chất lỏng (46). Người ta ước tính lớp manti trên chứa 0,04 khối lượng nước của đại dương trên bề mặt Trái đất (47), có thể tương đương với ~300 

× 106 Mt H2. Nhiều nghiên cứu thực nghiệm chứng minh tiềm năng tạo ra H2 và tính ổn định trong điều kiện lớp phủ (48–54). Ngoài ra, có bằng chứng cho thấy khí giàu hydro từ tinh vân mặt trời đã được đưa vào Trái đất trong quá trình bồi tụ hành tinh ban đầu. Sự thoát thủy động lực được cho là đã dẫn đến mất sớm một lượng lớn các chất dễ bay hơi của tinh vân như hydro (55), tuy nhiên khí hiếm và dữ liệu địa hóa đồng vị ổn định ủng hộ quan điểm cho rằng nguồn cung cấp hydro hiện tại trên Trái đất có nguồn gốc từ hỗn hợp hydro nguyên thủy và hydro đã bồi tụ (chondritic) (56–60). Cuối cùng, các mô hình lý thuyết (61–63) và các nghiên cứu thực nghiệm (22, 64–67) đã chỉ ra rằng một lượng lớn hydro có thể được đưa vào lõi Trái đất dưới dạng hydride kim loại hoặc H2O. Người ta ước tính rằng lõi có thể chứa tới năm thể tích nước của đại dương (62). Lượng H2 được tạo ra hoặc lưu trữ trong lớp phủ và lõi có thể được vận chuyển đến lớp vỏ hoàn toàn không bị hạn chế. Các khí hiếm được biết là có thể tiếp cận lớp vỏ từ lớp phủ (55) và thậm chí cả lõi (68); tuy nhiên, H2 có phản ứng cao và dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện oxy hóa khử, do đó việc bảo quản trong suốt quá trình di chuyển là một rủi ro. Tuy nhiên, quy mô của kho chứa hydro ở sâu bên trong Trái đất có khả năng khá lớn và ngay cả một phần nhỏ thoát ra lớp vỏ cũng có thể tạo thành nguồn đáng kể cho sự tích tụ lớp vỏ.

Vì những lý do này, chúng tôi cho rằng ước tính hiện tại về lượng hydro tạo ra hàng năm trong bối cảnh địa chất [23 ± 8 Mt năm−1 (16)] là giá trị tối thiểu và giá trị thực tế có thể lớn hơn tới ba cấp độ. Do đó, chúng tôi đặt tốc độ tạo ra tối đa là 25.000 Mt năm−1. Chúng tôi cũng suy ra rằng giá trị trung bình cho sản lượng hydro hàng năm có khả năng gần hơn nhiều với ước tính hiện tại vì tỷ lệ sản lượng tối đa có khả năng đòi hỏi sự đóng góp đáng kể từ nguồn hydro sâu (tức là lớp phủ và lõi), điều này rất không chắc chắn. Mô hình sử dụng 500 và 25 Mt năm−1 cho các giá trị đầu vào trung bình và tối thiểu tương ứng (Bảng 1Mở trong trình xem hình ảnh và hình S2). Các thử nghiệm độ nhạy khám phá tác động của giá trị tỷ lệ sản lượng tối đa rất không chắc chắn cho thấy kết quả mô hình tương đối không nhạy cảm với con số này, với tỷ lệ 2500, 25.000 và 250.000 Mt năm−1 tất cả vẫn dẫn đến ước tính tài nguyên hydro dưới bề mặt trung bình (P50) là ~5,6 × 106 Mt.

Phần bị giữ lại
Một phần tổng thể tích hydro di chuyển qua lớp dưới bề mặt sẽ di chuyển vào các bẫy địa chất và phần còn lại sẽ thoát ra bề mặt, được gọi là hiệu suất bẫy. Hiệu quả bẫy đã được nghiên cứu trong các hệ thống dầu mỏ và thấy rằng chúng rất khác nhau, với lượng bẫy trong các lưu vực riêng lẻ dao động từ 0 đến 66% lượng tạo ra (69). Hiệu quả bẫy tối đa cho toàn bộ hệ thống dầu mỏ được ước tính cao tới ~35% (70, 71); tuy nhiên, các tác giả khác cho rằng hiệu quả bẫy tối đa có nhiều khả năng gần với ~10%, với giá trị trung bình là vài phần trăm là phổ biến nhất (72, 73). Trên cơ sở nghiên cứu toàn diện về 16 hệ thống dầu mỏ trên khắp thế giới, Magoon và Valin (70) đã phân loại các hệ thống dầu mỏ thành rất hiệu quả (>10%), hiệu quả trung bình (1 đến 10%) và không hiệu quả (<1%). Với khả năng bẫy hydro có thể kém hiệu quả hơn dầu mỏ, các giá trị đầu vào cho mô hình của chúng tôi dao động từ 0,1 đến 10% được coi là ước tính thận trọng về hiệu quả bẫy hydro (Bảng 1Mở trong trình xem hình ảnh và hình S2).

Tổn thất vật lý từ các bể chứa
Hydro bị giữ lại có thể thoát ra theo thời gian do rò rỉ qua các lớp niêm phong bể chứa, và dòng hydro thoát ra khỏi các bể chứa có thể được tính bằng thời gian lưu trú trong bể chứa. Mặc dù kích thước nhỏ của các nguyên tử hydro đã dẫn đến suy đoán rằng hydro phân tử dễ dàng khuếch tán qua hầu hết các vật liệu (16), nhưng có bằng chứng về sự tích tụ khí tự nhiên ở Úc chứa ~11% hydro đã được bảo tồn trong hàng triệu năm (74). Đường kính động học của hydro phân tử (H2) tương tự như đường kính của một nguyên tử heli (75) và khả năng khuếch tán của các loài này qua các vật liệu tự nhiên cũng tương tự (76). Các lớp niêm phong có độ thấm thấp, chẳng hạn như evaporit và cacbonat, cho phép tích tụ heli tự nhiên bị giữ lại trong thời gian dài [> 100 triệu năm (Myr)] mà không bị rò rỉ khuếch tán đáng kể (77–79). Ngoài ra, áp suất vào mao dẫn cần thiết để đẩy khí heli qua các đá niêm phong tương tự như áp suất của CO2 (80), cho thấy rằng sự tích tụ CO2 tự nhiên cũng là chất tương tự thích hợp cho các nguồn tài nguyên hydro dạng khí. Sự tích tụ CO2 đã được chứng minh là có trong >100 Myr (81). Ngoài sự mất mát khuếch tán, sự mất hydro có thể xảy ra thông qua các quá trình đối lưu. Thời gian lưu trú của các bể chứa chứa đầy hydro với sự mất khí đối lưu thông qua các lớp niêm phong bị rò rỉ được ước tính là 1 × 104 năm trong một mô hình gần đây 

của sự tích tụ hydro tự nhiên (82). Phạm vi đầu vào của mô hình cho thời gian lưu trú liên quan đến rò rỉ hydro bị giữ lại trong các bể chứa được lấy là 1 × 105 năm đến 5 tỷ năm (Gyr) (Bảng 1Mở trong trình xem hình ảnh và hình S2).

Mất mát sinh học và phi sinh học
Mất mát hydro thông qua các quá trình sinh học và phi sinh học được ghi lại trong các điều khoản tiêu thụ của mô hình, được chia thành ba thành phần để tính đến vai trò phức tạp và có khả năng đáng kể của việc tiêu thụ hydro ở lớp dưới bề mặt. Hai thành phần của mô hình tập trung vào việc tiêu thụ có thể xảy ra trong khi hydro di chuyển qua lớp dưới bề mặt, trong khi thành phần thứ ba xử lý việc tiêu thụ có thể xảy ra trong khi hydro được lưu trữ trong các bể chứa. Việc xử lý việc tiêu thụ hydro trong quá trình di chuyển được xem xét cho cả vùng sâu hoặc nhiệt độ cao (do tiêu thụ phi sinh học thúc đẩy) so với vùng nông hoặc nhiệt độ thấp (do tiêu thụ sinh học thúc đẩy). Các cơ chế được công nhận rộng rãi nhất về sự phá hủy phi sinh học của H2 trong tự nhiên liên quan đến quá trình hydro hóa xúc tác của CO hoặc CO2 ở nhiệt độ cao (83), tương tự như các quá trình tổng hợp hydrocarbon được thiết kế liên quan đến sắt kim loại và niken được gọi là tổng hợp Fischer-Tropsch và Sabatier (84). Tuy nhiên, sự phổ biến của các chất xúc tác hiệu quả (ví dụ, hợp kim Fe-Ni) trong môi trường tự nhiên đã bị nghi ngờ (85) và nếu chúng có mặt, phạm vi hoạt động của nhiệt độ và tỷ lệ nước-đá được cho là khá hẹp (39). Hơn nữa, các phản ứng xúc tác kéo dài đòi hỏi diện tích bề mặt kim loại cao (để tối đa hóa các vị trí phản ứng), nồng độ lưu huỳnh thấp (để tránh ngộ độc chất xúc tác) và tỷ lệ hydro-cacbon thấp (để giảm lắng đọng cốc) (86). Những điều kiện này có thể được kiểm soát trong môi trường phòng thí nghiệm và công nghiệp nhưng có khả năng hiếm gặp trong môi trường tự nhiên (85). Do đó, mô hình giả định rằng mức tiêu thụ hydro ở độ sâu lớn hơn (tức là nhiệt độ cao hơn) kém hiệu quả hơn nhiều so với mức tiêu thụ hydro ở các vùng nước nông hơn, mát hơn, nơi các quá trình vi sinh vật hoạt động hiệu quả nhất (<120°C) (87). Ước tính mức tiêu thụ hydro sâu trong quá trình di cư chiếm từ 0,1 đến 10% tổng mức tiêu thụ hydro (Bảng 1Mở trong trình xem hình ảnh và hình S2).

Ngày càng có nhiều sự công nhận rằng các cộng đồng vi sinh vật đáng kể có khả năng sử dụng và sản xuất hydro tồn tại ở dưới bề mặt (35), tuy nhiên các nghiên cứu về quy mô mức tiêu thụ hydro của vi sinh vật dưới bề mặt còn hạn chế và chỉ giới hạn ở một số bối cảnh địa chất. Một nghiên cứu về Juan de Fuca Ridge ở phía đông Thái Bình Dương cho thấy vi khuẩn tiêu thụ ~50 đến 80% lượng hydro được sản xuất tại địa phương (88) và một nghiên cứu khác ở Mid-Atlantic Ridge ước tính mức tiêu thụ hydro đạt khoảng 90% sản lượng (89). Một mô hình toàn cầu về các nguồn và bồn chứa hydro tại các sống núi giữa đại dương ước tính một cách thận trọng lượng tiêu thụ tối thiểu của vi khuẩn trong các bối cảnh này là ~30% lượng hydro được tạo ra (90). Một nghiên cứu trường hợp dựa trên quá trình ủ trong phòng thí nghiệm đối với đất từ ​​lưu vực São Francisco ở Brazil đã dự đoán nồng độ hydro giảm 40% trong 1 m đất phía trên và lưu ý rằng tốc độ quan sát được thấp hơn từ ba đến bốn bậc độ lớn so với các nghiên cứu trước đây về những sinh vật tiêu thụ hydro có ái lực thấp (91). Nghiên cứu gần đây về ophiolit Samail ở Oman đã quan sát thấy quá trình hydro hóa tích cực có khả năng làm giảm nồng độ hydro trong nước xuống sáu bậc độ lớn chỉ trong phạm vi độ sâu vài trăm mét (92, 93). Nghịch lý thay, sự tích tụ hydro đã biết ở Mali chứa khí hydro gần như tinh khiết trong một bể chứa chỉ sâu vài trăm mét (9), làm nổi bật tầm quan trọng của các yếu tố môi trường khác (ví dụ: môi trường nước và tính khả dụng của chất dinh dưỡng) trong việc kiểm soát tốc độ tiêu thụ hydro của vi khuẩn (35). Mặc dù không hoàn toàn là tiêu thụ, sự hấp phụ hydro trên khoáng sét là một cơ chế tiềm ẩn khác gây mất hydro ở nhiệt độ thấp hơn (94). Tổng lượng hydro tiêu thụ từ quá trình di cư kết hợp sâu (chủ yếu là phi sinh học) và nông (chủ yếu là sinh học) được cho là dao động từ 90 đến 99,999% trong mô hình (Bảng 1Mở trong trình xem ảnh và hình S2).

Việc vi khuẩn tiêu thụ chất lỏng được lưu trữ trong các bể chứa ở nhiệt độ thấp (<80°C) là một hiện tượng đã được xác định rõ trong địa chất dầu mỏ, trong đó các hydrocacbon chuỗi dài được tiêu thụ khi tạo ra mêtan (95). Một sự mất hydro tương tự khi được lưu trữ trong các bể chứa nông, nhiệt độ thấp cũng có khả năng xảy ra và được thể hiện ở đây với thời gian lưu trú thứ hai. Vì tốc độ phân hủy sinh học bị hạn chế kém, ngay cả trong các hệ thống dầu mỏ, nên tốc độ ước tính từ Larter et al. (95) của 10−3 đến 10−4 kg dầu mỏ m−2 năm−1 được sử dụng, theo phương pháp tương tự như phương pháp được Prinzhofer và Cacas-Stentz sử dụng (82). Lấy phạm vi trung bình của ước tính này và sử dụng mật độ dầu mỏ là 700 kg m−3, thời gian lưu trú ở trường hợp trung bình được tính toán là 1,4 × 106 năm−1. Mặc dù tốc độ tiêu thụ hydro sinh học nhanh hơn nhiều đã được báo cáo trong đất [nhanh tới vài tuần (91)], các bể chứa, bẫy và đặc biệt là các lớp niêm phong tích tụ chất lỏng dưới bề mặt chỉ có khả năng xảy ra ở các lớp đá nền bên dưới đất. Nhiều bẫy có khả năng ở độ sâu lớn hơn với nhiệt độ >100°C, ngăn cản vai trò chính của hoạt động vi khuẩn trong bể chứa (95). Do đó, phạm vi đầu vào của mô hình cho thời gian lưu trú liên quan đến mức tiêu thụ trong bể chứa được coi là 1 × 104 năm đến 5 Gyr (Bảng 1Mở trong trình xem hình ảnh và hình S2).

Tiềm năng sản xuất hydro nhân tạo
Tương tự như những nỗ lực thăm dò ban đầu đối với các mặt hàng khác, việc thăm dò hydro địa chất có khả năng sẽ diễn ra chậm lúc đầu vì các khái niệm mới về hệ thống hydro địa chất và định nghĩa triển vọng vẫn đang được phát triển (96). Tuy nhiên, khi hệ thống này được hiểu rõ hơn thông qua nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm triển vọng, thì sản xuất hydro địa chất có khả năng sẽ tăng tốc. Việc khai thác các nguồn khí hydro tiềm năng được mô phỏng theo sản xuất khí thiên nhiên trong lịch sử và được gọi là hiệu quả thăm dò/sản xuất. Sản xuất khí đá phiến của Hoa Kỳ được coi là tương tự cho quá trình phát triển hydro ban đầu (24). Phải thừa nhận rằng, có những khác biệt đáng kể giữa quá trình phát triển khí đá phiến và các nguồn hydro tự nhiên. Trong trường hợp khí đá phiến, vị trí của nguồn tài nguyên này đã được biết rõ và việc sản xuất thành công phụ thuộc vào việc phát triển các giải pháp kỹ thuật hiệu quả để khai thác nó. Ngược lại, vị trí của các mỏ hydro tiềm năng vẫn chưa được biết, nhưng một khi đã xác định được vị trí, chúng có khả năng được sản xuất bằng các công nghệ tương tự như công nghệ được sử dụng cho khí thiên nhiên. Tuy nhiên, có thể giả định một cách hợp lý rằng sẽ có một giai đoạn sản xuất hydro ban đầu thấp, như đã từng xảy ra trong quá trình phát triển khí đá phiến, phản ánh đường cong học tập của quá trình phát triển các chiến lược thăm dò.

Các giá trị mô hình cho giai đoạn sản xuất hydro trưởng thành hơn sau này dựa trên sản lượng khí thiên nhiên toàn cầu từ năm 1973 đến năm 2020 (97). Cả dữ liệu sản xuất khí đá phiến của Hoa Kỳ và khí đốt tự nhiên toàn cầu đều được chuyển đổi từ feet khối khí đốt tự nhiên sang feet khối hydro và sau đó là triệu tấn hydro. Chúng tôi đã sử dụng đường cong tuyến tính từng phần để biểu diễn lịch sử sản xuất có thể xảy ra này. Từ năm 2020 đến năm 2050, chúng tôi theo dõi sự gia tăng của khí đá phiến của Hoa Kỳ (chúng tôi giả định rằng một số sản xuất khí đá phiến bắt đầu từ năm 1980 và sau đó theo dõi xu hướng dữ liệu có sẵn từ năm 2000 đến năm 2023), trong khi từ năm 2050 đến năm 2200, chúng tôi theo dõi sự gia tăng gần như tuyến tính trong sản xuất khí đốt trên toàn cầu (dữ liệu tương tự từ năm 1973 đến năm 2020). Đường cong sản xuất này được bắt đầu vào năm 2020 trong mô hình và đường cong tuyến tính từng phần cuối cùng được hiển thị trong Hình 4Mở trong trình xem hình ảnh.

Tỷ lệ phần trăm tài nguyên tại chỗ có thể thu hồi (tức là hệ số thu hồi) đối với dầu được cho là khoảng 30 đến 35% (98) nhưng cao hơn đáng kể đối với tích tụ khí đốt tự nhiên, thường là ~50 đến 80% (99). Để tính đến khả năng tích tụ hydro dưới mức kinh tế (tức là quá nhỏ, quá sâu và quá xa bờ biển), hiệu quả thăm dò kém (tức là không thể xác định được các tích tụ kinh tế) và hệ số thu hồi 50 đến 80%, lượng sản xuất tối đa được giới hạn ở mức 10% lượng bể chứa ngầm.

Các xu hướng dự đoán về nhu cầu và sản lượng hydro trong tương lai cung cấp một số hiểu biết sâu sắc về tiềm năng của hydro địa chất để đáp ứng nhu cầu trong tương lai. Để cung cấp cơ sở về nhu cầu có thể có đối với hydro địa chất, một phép so sánh đã được rút ra từ hydro xanh. Dự báo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) về nguồn cung hydro xanh trong những thập kỷ tới cần thiết để đạt được mục tiêu phát thải carbon ròng bằng 0 được sử dụng làm trường hợp tham chiếu (1). Dự báo của IEA về tổng nguồn cung nhiên liệu hydro vào năm 2020, 2030 và 2050 lần lượt là 87, 212 và 528 Mt (1), và dự báo về vai trò của thế hệ xanh trong cùng những năm đó là 0,7, 28 và 36% tổng số. Do đó, tổng sản lượng hydro xanh được dự báo là 0,63, 60 và 190 Mt (lần lượt cho năm 2020, 2030 và 2050). Để thiết lập số lượng thực tế cho một công nghệ mới như thăm dò hydro địa chất, chúng tôi chia đôi các giá trị này làm điểm chuẩn mong muốn cho nhu cầu trong tương lai. So sánh mô hình sản xuất hydro địa chất với trường hợp tham chiếu được thể hiện trong Hình 4Opens in image viewer .

Sử dụng các đầu vào mô hình được chỉ định trong Bảng 1Opens in image viewer và hình. S2, ước tính về nguồn tài nguyên hydro ngầm tiềm năng dao động từ 103 đến 1010 Mt, với giá trị có khả năng xảy ra nhất là ~5,6 × 106 Mt (Hình 3Mở trong trình xem hình ảnh). Trong khi đó, nhu cầu hàng năm trong tương lai ước tính sau năm 2100 có thể lên tới vài trăm triệu tấn (Hình 4Mở trong trình xem hình ảnh). Mặc dù nguồn tài nguyên tại chỗ dự kiến ​​sẽ đủ cao so với sản lượng tiềm năng, chúng tôi vẫn cho rằng hoạt động thăm dò trong tương lai sẽ không hoàn hảo và do đó đã hạn chế mô hình bằng “giới hạn thăm dò”. 

” Điều này đóng vai trò là giới hạn về mức độ hiệu quả mà chúng ta có thể đạt được với tư cách là những nhà thám hiểm và giới hạn mô hình ở mức không khai thác quá 10% tài nguyên tại chỗ trên toàn cầu tại bất kỳ thời điểm nào. Khi đạt đến mức giới hạn này, sản lượng mô hình sẽ giảm, tương tự như kỳ vọng về sản lượng dầu sau “đỉnh dầu”. Hình S3 minh họa bộ đường cong sản lượng của mô phỏng mô hình; sản lượng mô hình tuân theo đường cong sản lượng đã chỉ định (Phương trình 14) cho đến khi đạt đến mức giới hạn thăm dò là 10%, tại thời điểm đó, sản lượng giảm xuống gần bằng không. Hình S4 cho thấy tỷ lệ phần trăm các lần chạy mô hình đã đạt đến mức giới hạn thăm dò theo thời gian. Đến năm 2100, mô hình dự đoán xác suất >94% là chúng ta sẽ tiếp tục đáp ứng được nhu cầu dự kiến ​​và sẽ không bị giới hạn bởi mức giới hạn thăm dò này. Đến năm 2200, xác suất đó là ~75%.

Mô hình xem xét tác động tạm thời của sản xuất do con người gây ra đối với việc giảm tài nguyên tại chỗ của hydro địa chất. Khi khối lượng hydro bị giữ lại này giảm đi, việc tiếp tục tạo ra và giữ lại hydro có thể bổ sung cho các bể chứa (MF). Chúng tôi gọi tốc độ nạp lại này là thành phần "tái tạo" của hydro. Dòng năng lượng tái tạo hàng năm này được minh họa trong hình S3 là sản lượng ổn định hàng năm gần bằng không sau khi đạt đến giới hạn thăm dò. Dòng năng lượng tái tạo hàng năm được hiển thị trong Hình 5Mở trong trình xem hình ảnh và có P50 là 5 Mt năm−1 với phân phố