Hydro có nguồn gốc từ địa chất, nhân tạo có phải là một ý tưởng điên rồ không?
Mark Blue
Giám đốc công nghệ, TerraVent Environmental Inc.
Tôi đã từng viết về công trình đang được tiến hành tại Đại học Texas Tech (TTU) để sản xuất hydro từ các bể chứa hydrocarbon (Suy nghĩ về hydro và Hydro, con ngựa có đi trước xe không?). Họ có ý định tận dụng các thiết bị và hoạt động khai thác dầu mỏ thông thường, kết hợp với các phản ứng xúc tác, để sản xuất hydro tại chỗ và bằng cách sử dụng màng dưới bề mặt, tách carbon và cô lập nó trong thành tạo ban đầu. Cuối cùng, có thể sản xuất được một lượng lớn hydro mà không cần đưa carbon lên bề mặt. Thật tuyệt vời!
Chủ đề nóng hổi hiện nay là "Hydro trắng", được tạo ra tự nhiên trong lớp vỏ Trái đất. Nó có thể được sản xuất theo cùng cách như Khí tự nhiên, nhưng không phát thải Carbon khi đốt để tạo năng lượng. Thực sự là nhiên liệu sạch nhất hiện có. Hydro trắng được tạo ra bằng cách Serpentin hóa, phản ứng hóa học tự nhiên của Trái đất tạo ra hydro trong lớp dưới bề mặt. Nói một cách dễ hiểu, Serpentin hóa là khi sắt có trong một đội hình và phản ứng với nước để giải phóng năng lượng và hydro thông qua quá trình oxy hóa. Những phản ứng này diễn ra sâu dưới lòng đất và hydro mà nó giải phóng sẽ nuôi dưỡng quần xã sinh vật dưới bề mặt khi nó dâng lên bề mặt. Nó cũng có thể tích tụ trong các bẫy giống như các loại khí khác hoặc di chuyển đến tận bề mặt tại các vết rò rỉ và vòng tròn thần tiên và ra ngoài khí quyển.
Những thách thức liên quan đến quá trình tạo ra hydro tự nhiên là rất lớn. Có rất ít bẫy tự nhiên chứa khối lượng khí lớn. Hydro, phân tử nhỏ nhất, cần một nắp rất chặt để chứa nó, khiến bẫy hydro trở nên hiếm và khó tìm. Các vết rò rỉ và vòng tròn thần tiên không tạo ra đủ khối lượng hydro để sử dụng làm nguồn năng lượng đáng kể nhưng chúng có thể chứa manh mối để các công ty thăm dò theo dõi trong việc xác định vị trí các nguồn hydro tự nhiên. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc sử dụng công nghệ để tiếp cận các phản ứng này hoặc tạo điều kiện cho chúng tại chỗ. Bằng cách khoan xuống đá giàu sắt và cung cấp nước, người ta tin rằng các phản ứng oxy hóa sẽ tự nhiên tạo ra hydro. Trong các phương pháp tiếp cận khác, hơi nước có thể được sử dụng để cung cấp nước và năng lượng cần thiết để bắt đầu và duy trì các phản ứng oxy hóa tại chỗ.
Trong quá trình serpentin hóa tự nhiên, có mối tương quan giữa các nguồn địa nhiệt và các thành tạo khả thi để sản xuất hydro nhân tạo. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm chứng minh tiềm năng sản xuất hydro trong khi có khả năng cạnh tranh với các dự án địa nhiệt dường như lại là một rào cản lớn khác. Ngoài ra, độ sâu cần thiết và yêu cầu khoan nhiệt độ cao hơn mang lại nhiều hạn chế và chi phí hơn nữa.
Giải pháp Dầu khí truyền thống là sử dụng hơi nước. Hơi nước là một phương pháp nổi tiếng để cung cấp năng lượng nhiệt cho một thành tạo. Thoát nước trọng lực hỗ trợ hơi nước (SAGD) và Kích thích hơi nước tuần hoàn (CSS) đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ trong khai thác dầu cát và dầu nặng. Các vấn đề lớn nhất khi sử dụng hơi nước là lượng khí thải carbon từ nhiên liệu được sử dụng để tạo ra hơi nước và áp suất bão hòa trên thành tạo được tạo ra. Để trở thành một quá trình trung tính hoặc âm carbon, lượng khí thải carbon từ quá trình đốt nhiên liệu (thường là khí tự nhiên, nhưng cũng có thể là các nguồn hydrocarbon khác) phải được thu giữ và cô lập. Những điều này làm tăng thêm cả sự phức tạp của quy trình và chi phí. Áp suất bão hòa hình thành có thể đòi hỏi một mức độ kém hiệu quả chỉ dựa trên áp suất. Nếu một quy trình chỉ cần 100-200°C, như SAGD và serpentin hóa xúc tác, nhưng áp suất bão hòa hơi nước đòi hỏi hơi nước 250°C, thì năng lượng bổ sung chỉ đơn giản là thuế năng lượng quy trình. Hơn nữa, tùy thuộc vào tổn thất nhiệt của hệ thống, có thể cần thêm quá nhiệt để đảm bảo chất lượng hơi nước phù hợp đạt đến điểm sử dụng trong quá trình hình thành. Một lần nữa, một khoản thuế bổ sung cho quy trình. Không ai thích các khoản thuế không cần thiết.
Nhưng, nếu?
Nếu bạn có thể gây ra phản ứng serpentin hóa nông hơn nhiều, hoặc thậm chí ở các dãy núi giàu sắt ở hoặc gần bề mặt và thực hiện như vậy với lượng năng lượng phản ứng tối thiểu cần thiết để gây ra và duy trì phản ứng thì sao? Có ba thành phần chính, cơ bản đối với công thức hydro serpentin hóa:
· đá giàu sắt,
· nước và,
· nhiệt để bắt đầu phản ứng (thường là ~200°C).
Ý tưởng về serpentin hóa kích thích đang ngày càng được ưa chuộng. Một bài báo gần đây từ Trường Mỏ Colorado đề cập cụ thể đến tiềm năng (Mines dẫn đầu trong việc khám phá tiềm năng năng lượng chưa được khai thác của hydro địa chất). Tiến sĩ Mengli Zhang, “Có thể là không có đủ hydro tự nhiên, hoặc có thể nồng độ và thể tích không đủ để đạt được mức kinh tế. Nếu chúng ta có mục tiêu đầy tham vọng là chuyển hoàn toàn sang các giải pháp năng lượng carbon thấp, thì mức kinh tế là điều chúng ta cần cân nhắc, và nếu hydro là 2 đô la nhưng khí đốt là 1 đô la, thì nó không đủ tốt. Sau đó, chúng ta đến một cấp độ khác: Chúng ta có thể kích thích việc tạo ra hydro địa chất để cạnh tranh với dầu và khí đốt, để giảm giá thành không?”
Các thành tạo chứa sắt khá phổ biến trên toàn thế giới. Bằng cách khoan vào các thành tạo dễ tiếp cận hơn (có thể sử dụng các hệ thống khoan HDD tiết kiệm chi phí hơn nhiều?), phá vỡ đá bằng công nghệ thủy lực hiện tại để có được diện tích bề mặt cần thiết và tiêm chất xúc tác với chất chống đỡ, một thành tạo có thể được chuẩn bị để sản xuất hydro thông qua quá trình serpentin hóa. Nước, cũng chứa chất tăng tốc/kích thích quá trình có thể được lưu thông qua mạng lưới nứt vỡ để cung cấp các điều kiện cần thiết cho quá trình sản xuất hydro.
Tất cả những gì còn lại là cung cấp lượng năng lượng tối thiểu để bắt đầu phản ứng. Ở đây, tôi đề xuất sử dụng năng lượng Điện từ (EM) như một giải pháp thay thế hiệu quả và tiết kiệm hơn nhiều cho hơi nước hoặc bất kỳ phương pháp truyền nhiệt dẫn nhiệt hoặc đối lưu nào. Chủ yếu là vì năng lượng có thể được cung cấp độc lập với các điều kiện bão hòa của thành tạo (thường đòi hỏi quá nhiệt trên mức năng lượng quá trình tối thiểu) nên có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu quả; như lời quảng cáo, "chỉ trả tiền cho những gì bạn cần". Nếu một đội hình, chẳng hạn như sâu khoảng 500m, và có áp suất bản địa khoảng 50 bar (thủy tĩnh), nhiệt độ bão hòa là khoảng 265°C. Nếu phản ứng serpentin hóa chỉ cần 200°C, thì mức chênh lệch là 65°C cộng với bất kỳ quá nhiệt nào cần thiết để không làm mát hơi nước giữa lò hơi và đội hình. Đây là mức chênh lệch khá lớn về chi phí năng lượng cho quy trình này! Một hệ thống sử dụng năng lượng EM có thể cung cấp 200°C đến địa điểm phản ứng mà không phải chịu chi phí năng lượng chênh lệch. Cần lưu ý rằng có thể mong muốn thay đổi nước thành hơi nước tại chỗ để cân nhắc vận hành (tái tạo chất xúc tác, kích thích nứt gãy, v.v.), điều này cũng có thể được thực hiện bằng một công cụ EM chỉ bằng cách tăng công suất đầu vào trong thời gian cần thiết để hoàn thành mục tiêu, sau đó trở lại điều kiện năng lượng thấp hơn bình thường.
Là một ví dụ thực hiện, hãy xem xét một ăng-ten lưỡng cực trung tâm đơn giản (hãy nhớ đến ăng-ten TV "tai thỏ" cũ), tương tự như ăng-ten được chứng minh trong dự án ESEIEH® (Enhanced Solvent Extraction Incorporating Electromagnetic Heating) ở Alberta (albertainnovates.ca), có thể dễ dàng được sử dụng lại để sản xuất hydro. Năng lượng EM sẽ làm tăng nhiệt độ lên đến nhiệt độ bắt đầu phản ứng mà không bị phạt. Khi quá trình serpentin hóa bắt đầu, phản ứng tỏa nhiệt, giải phóng tới 40 kJ trên mỗi mol nước phản ứng với đá. Nhiệt sinh ra này có thể đủ để duy trì phản ứng và có thể loại bỏ công cụ EM. Nếu không, nó chắc chắn sẽ làm giảm lượng năng lượng đầu vào mà công cụ EM cần cung cấp để duy trì tốc độ phản ứng và năng lượng đầu vào từ công cụ EM có thể được hạ xuống mức năng lượng tối thiểu cần thiết để duy trì sản xuất hydro. Việc đo lường năng lượng này không thể thực hiện được với bất kỳ hình thức truyền nhiệt nào khác.
Mặc dù rất sơ bộ, nhưng ước tính chi phí ban đầu cho thấy chi phí sản xuất hydro thấp hơn nhiều so với 1,00 đô la cho mỗi kg hydro và có thể giảm xuống dưới 0,25 đô la cho mỗi kg. Những ước tính này dựa trên các thông số hệ thống trước đó và các mô hình kinh tế quy trình tương tự. Chắc chắn cần nhiều dữ liệu và công việc hơn để tinh chỉnh và chứng minh chi phí, nhưng serpentinization hứa hẹn rất nhiều cho sản xuất hydro chi phí thấp.
Như các tác giả khác đã thảo luận, một nền kinh tế dựa trên hydro phải có chuỗi cung ứng hoàn chỉnh để thực sự trở thành một chuỗi giá trị thực sự. Không có cuộc thảo luận nào về hydro sẽ hoàn thành nếu không khép lại chuỗi cung ứng với một kịch bản khả thi.
Trên thị trường hydro, chúng ta có các công cụ và công nghệ dành cho người tiêu dùng đang phát triển hàng ngày. Nhà máy điện hydro, pin nhiên liệu, động cơ đốt trong và vô số các công nghệ ứng dụng quy trình khác đã được phát triển và đang trong giai đoạn thử nghiệm thực địa nâng cao và thậm chí là sản xuất thương mại. Thị trường cho các công nghệ tiên tiến này phát triển chậm do hai yếu tố quan trọng:
Giá hydro. Các quy trình tại chỗ được đưa ra trong bài viết này có tiềm năng vượt qua những thách thức với quá trình điện phân và cải cách khí mê-tan bằng hơi nước với chi phí trên mỗi kg thấp hơn nhiều (Phân tích kinh tế kỹ thuật hiện tại chỉ ra rằng chi phí dưới 1,00 đô la cho mỗi kg H2).
Phân phối hydro giá rẻ từ nguồn đến người tiêu dùng. Hệ thống này cũng sẽ phải đối mặt với những hạn chế về chi phí. Hydro nhỏ, lén lút và rò rỉ; một loại khí rất khó vận chuyển. Thật vậy, cần phải có những nỗ lực đáng kể để giảm thiểu tình trạng giòn đường ống và thất thoát khí và những điều này có thể rất tốn kém; đặc biệt là ở quy mô công nghiệp.
Các phân tử mang đã được đề xuất và đánh giá và tất cả đều có ưu và nhược điểm riêng. Theo tôi, amoniac có vẻ là giải pháp thay thế khả thi nhất. Đây là một sản phẩm nổi tiếng, dễ sản xuất (quy trình Haber-Bosch), dễ vận chuyển và có nhiều công dụng như nhiên liệu, phân bón và tiềm năng như chất mang hydro (phân tách amoniac tạo ra khí hydro và nitơ).
Một trong những điểm mấu chốt khi sử dụng amoniac là quy trình Haber-Bosch. Thông thường, amoniac được sản xuất tại các cơ sở lớn để đạt được quy mô kinh tế lớn và cung cấp amoniac ra thị trường với giá cả cạnh tranh. Điều này không hiệu quả đối với chất lỏng quy mô công nghiệp như hydro do đặc điểm giống Houdini của nó; chúng ta cần giảm thiểu hoặc loại bỏ hệ thống phân phối pha khí khỏi chuỗi cung ứng. Do đó, hệ thống sản xuất hydro phân tán hiệu quả nhất khi sản xuất sản phẩm được đặt cùng tại nguồn. Trong ví dụ này, chúng ta cần sản xuất amoniac tại đầu giếng. Chúng ta cần quy trình Haber-Bosch (hoặc biến thể hiện đại) không cần cơ sở lớn để đạt được quy mô kinh tế để có thể cạnh tranh. Chúng ta cần quy trình mô-đun, có thể mở rộng quy mô có thể xử lý hydro ngay tại bệ giếng thành amoniac. Từ đó, xe tải, đường ống và đường sắt có thể vận chuyển amoniac đến bất kỳ nơi nào trên thế giới bằng các cơ sở và phương pháp hiện tại.
May mắn thay, công nghệ như vậy đã tồn tại. Viaduct Technologies đã chứng minh một quy trình tổng hợp vi sóng hiệu quả, có thể mở rộng quy mô để sản xuất amoniac lỏng khan. Phương pháp này có tính hiệp đồng đặc biệt với các công nghệ sản xuất hydro tại chỗ dựa trên EM. Cả hai đều có thể sử dụng các nguồn năng lượng sạch để thúc đẩy các quy trình tương ứng. Các thang đo tương thích giúp tạo điều kiện cho một hệ thống phân tán, di động sản xuất hydro và chuyển đổi thành các sản phẩm sẵn sàng đưa ra thị trường ngay trên bệ giếng. Bằng cách kết hợp các quy trình, tổn thất năng lượng trong đường truyền, vận chuyển chất lỏng và xử lý được giảm thiểu. Cũng có thể thúc đẩy toàn bộ địa điểm giếng từ khối lượng hydro được sản xuất.
Đây là một ý tưởng khá điên rồ.
Có thể không?
