Hydro tự nhiên
Hydro tự nhiên, còn được gọi là hydro địa chất, hydro bản địa, hydro vàng và hydro trắng, là nguồn năng lượng chính có tiềm năng to lớn.
Bản đồ câu chuyện của nhóm nghiên cứu tại Viện Năng lượng và Khoa học Trái đất thuộc Đại học Utah
Ngày 17 tháng 7 năm 2024
Giới thiệu
Các lần xuất hiện hydro tự nhiên
Ưu điểm tiềm năng của hydro
Quá trình sản xuất hydro tự nhiên...
Các bể chứa hydro tự nhiên & ...
Khám phá hydro ở Mali
Lời kết
Tài liệu tham khảo
Giới thiệu
Hydro tự nhiên, còn được gọi là hydro địa chất, hydro bản địa, hydro vàng và hydro trắng, là nguồn năng lượng chính có tiềm năng cung cấp cho xã hội tương lai với nhu cầu hydro ngày càng tăng. Các quy trình sản xuất nhiều lần của nó gợi ý về sự phân bố rộng rãi về mặt địa lý của tiềm năng sản xuất, có thể cung cấp năng lượng phát thải thấp cho các cộng đồng không có lưới điện và bổ sung cho các nguồn năng lượng tái tạo hiện có.
Việc sử dụng hydro hiện tại chủ yếu là nguyên liệu đầu vào và là một vectơ năng lượng ở một mức độ nhỏ (Hình 1). Tuy nhiên, việc sử dụng hydro như một nguồn năng lượng chính phát thải thấp trong vận tải (hàng không, hàng hải và đường bộ) và sản xuất điện sẽ tăng lên trong hỗn hợp năng lượng trong tương lai. Hydro cũng được kỳ vọng sẽ đóng vai trò lớn trong quá trình khử cacbon của các ngành công nghiệp khó giảm thiểu, chẳng hạn như sắt thép, hóa chất và lọc dầu. Do đó, tổng nhu cầu hydro toàn cầu vào năm 2050 dự kiến sẽ cao hơn năm lần so với năm 2021.
Ngành công nghiệp này phụ thuộc rất nhiều vào hydro được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch thông qua công nghệ cải cách hơi nước và khí hóa (hydro đen, xám và nâu) (Hình 1 và 2). Các lựa chọn phát thải thấp, bao gồm nhiên liệu hóa thạch + CCS (hydro xanh lam và xanh ngọc lam) và điện phân nước được cung cấp năng lượng tái tạo (hydro hồng, vàng và xanh lục), chỉ chiếm một phần nhỏ (0,7%) hydro được sản xuất công nghiệp (IEA, 2023, Đánh giá hydro toàn cầu).
Trong kịch bản không phát thải ròng năm 2050, hầu hết hydro công nghiệp được sản xuất thông qua các quy trình phát thải thấp và tỷ lệ này dự kiến sẽ tăng từ <1% vào năm 2022 lên 55% vào năm 2030 và >90% vào năm 2050 (IEA, 2023, Lộ trình không phát thải ròng). Mặc dù công suất tích lũy của các máy điện phân sẽ tăng lên trong những thập kỷ tới để lấp đầy khoảng cách dự kiến giữa nhu cầu về hydro phát thải thấp và nguồn cung, nhưng một nguồn hydro phát thải thấp bổ sung với tiềm năng sản xuất cao sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển đổi sang hỗn hợp năng lượng bền vững hơn.
Sự xuất hiện của hydro tự nhiên
Sự xuất hiện của hydro tự nhiên
Hydro có trong khí quyển, sinh quyển, thủy quyển và thạch quyển, và các loại khí và dung dịch giàu hydro được ghi nhận trong lịch sử tại các khe nứt, suối, núi lửa, sống núi giữa đại dương và lỗ khoan (Zgonnik, 2020). Bất chấp các bài viết ban đầu về tiềm năng của hydro tự nhiên như một nhiên liệu thay thế (Petersen, 1990; Smith và cộng sự, 2005) và việc phát hiện ra mỏ Bourakebougou ở Mali, nơi khí hydro gần như tinh khiết (98% H2, 1% N2, 1% CH4) được tìm thấy trong một giếng nước, được khoan lần đầu vào năm 1987 và được rút phích cắm vào năm 2011 (Prinzhofer và cộng sự, 2018), sự tích tụ dưới bề mặt như vậy được coi là bất thường và không được khám phá tích cực.
Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã chứng minh sự phân bố rộng rãi của hydro có nồng độ cao trên toàn cầu (ví dụ: Truche & Bazarkina, 2019; Zgonnik, 2020) và báo cáo về khí giàu hydro trong các tầng dưới bề mặt, ví dụ như ở Albania, Úc, Canada, Trung Quốc, Colombia, Phần Lan, Pháp, Mali, Nam Phi, Tây Ban Nha và Hoa Kỳ. Sau đó, hydro tự nhiên đã thu hút được sự quan tâm của công chúng và nghiên cứu, đặc biệt là sau khi xuất bản bài báo "Hidden Hydrogen" (Hand, 2023), dẫn đến sự gia tăng gần đây về số lượng các công ty khởi nghiệp, cơ hội tài trợ và nhóm nghiên cứu, và trong sự bùng nổ dữ liệu hiện tại (Ball & Czado, 2024).
Lợi thế tiềm năng của hydro
Mặc dù mỏ Bourakebougou là địa điểm hoạt động duy nhất, nhưng những lợi thế của hydro tự nhiên như một nguồn năng lượng chính đã được nhiều tác giả thảo luận. Dưới đây là một số ví dụ.
Cân nhắc về chi phí
Chi phí sản xuất hydro tự nhiên sẽ phụ thuộc vào các yếu tố như nồng độ hydro, thành phần khí đồng hành và độ sâu của giếng. Tuy nhiên, dự kiến sẽ thấp hơn 1 đô la/kg H2 (Gaucher và cộng sự, 2023). Ước tính chi phí hiện tại cho các lựa chọn sản xuất phát thải thấp khác là 1,5–3,6 đô la/kg H2 đối với hydro xanh và 3,4–12 đô la/kg H2 đối với điện phân bằng các nguồn năng lượng tái tạo (Hình 3).
Cường độ khí nhà kính (GHG)
Cường độ GHG của quá trình sản xuất hydro tự nhiên cũng là một yếu tố của nồng độ hydro và thành phần khí liên quan, đặc biệt là hàm lượng mêtan. Người ta ước tính rằng nó luôn thấp hơn so với hydro xanh (8,9 kg CO2 eq/kg H2, Lewis và cộng sự, 2022) và hydro vàng (3,6 kg CO2 eq/kg H2, Kanz và cộng sự, 2021) khi hàm lượng mêtan thấp hơn 30% (Brandt, 2023).
Những lợi thế khác
Những lợi thế này bao gồm dấu chân khoáng sản và nước nhỏ, không có thời gian chết, đốt trực tiếp mà không cần tinh chế và cải tạo các nguồn tự nhiên hiện có cơ sở khí đốt (phân phối và đốt cháy).
Quy trình tạo ra hydro tự nhiên
Milkov (2022) đã xác định được 32 phản ứng tạo ra hydro tự nhiên phi sinh học/sinh học và nhân tạo, và sự xuất hiện phổ biến của hydro tự nhiên trong các môi trường địa chất khác nhau có thể là do phạm vi rộng của các vật liệu nguồn và phản ứng tạo ra của nó (Bảng 1). Đối với hoạt động thăm dò hydro tự nhiên trên bờ, (a) phản ứng oxy hóa khử giữa sắt (II) và nước, (b) phân hủy phóng xạ nước và (c) quá trình trưởng thành quá mức của vật chất hữu cơ được coi là các phản ứng tạo ra hydro chính của Lévy và cộng sự (2023).
Một điểm khác biệt đáng chú ý giữa hydro tự nhiên và hydrocarbon là tốc độ tạo ra của chúng. Việc tạo ra hydrocarbon thường diễn ra theo thang thời gian địa chất, trong khi các phản ứng oxy hóa khử tạo ra hydro diễn ra theo thang thời gian của con người, về mặt lý thuyết có thể được kích thích bằng khả năng tạo ra hydro được tăng cường về mặt kỹ thuật (hydro màu cam) ở bất kỳ nơi nào có điều kiện địa chất thuận lợi. Việc bổ sung hydro tự nhiên chủ động đã được đề xuất cho các hồ chứa của Bourakebougou, Mali và Kansas, Hoa Kỳ. Nếu tỷ lệ sản xuất và tiêu thụ hydro tự nhiên được giữ dưới hoặc bằng tỷ lệ nạp lại, có thể không cần tích tụ dưới bề mặt lớn để sản xuất quy mô nhỏ để sử dụng hydro tự nhiên tại địa phương. Tuy nhiên, để hydro tự nhiên trở thành yếu tố thay đổi cuộc chơi, cần tìm kiếm các bể chứa đủ lớn để tiết kiệm.
Bể chứa hydro tự nhiên & Lớp niêm phong
Hầu hết hydro được tạo ra trong môi trường dưới bề mặt di chuyển từ nguồn của nó và thoát ra khí quyển bằng các cơ chế khuếch tán và đối lưu nếu không có lớp niêm phong hiệu quả để chứa hydro trong các bể chứa. Tỷ lệ di chuyển hydro phụ thuộc vào thành phần đá, vật lý đá và các điều kiện dưới bề mặt. Di chuyển dưới bề mặt diễn ra theo thang thời gian từ vài ngày đến hàng nghìn năm và di chuyển đường dài được tạo điều kiện thuận lợi bởi sự đối lưu dọc theo các đứt gãy nằm sâu (Lodhia & Peeters, 2024).
Người ta đã quan sát thấy sự tích tụ hydro trong nhiều loại đá, bao gồm đá bay hơi, đá siliciclastic, đá cacbonat và đá mácma và đá biến chất (Bảng 2). Các ngưỡng dolerit và evaporit được coi là đá mũ hiệu quả, trong khi khả năng giữ hydro của đá giàu sét bị nghi ngờ, ít nhất là ở mỏ Bourakebougou (Maiga và cộng sự, 2023). Các tầng chứa nước cũng có thể giúp giữ hydro ở độ sâu nông do hydro hòa tan thấp ở áp suất thấp, như đã quan sát thấy ở Mali (Maiga và cộng sự, 2023).
Khám phá hydro ở Mali
Bourakebougou, Mali
Mỏ Bourakebougou là địa điểm hydro tự nhiên đầu tiên và duy nhất đang hoạt động.
Một dự án thí điểm phi thương mại về sản xuất điện từ hydro tự nhiên đã bắt đầu vào năm 2012 và cung cấp điện cho làng Bourakebougou trong hơn bảy năm (Diallot và cộng sự, 2022).
Sau một loạt các chiến dịch trinh sát, bao gồm các giếng địa tầng F1 và F2 được khoan cách Bourakebougou 80 km về phía bắc (Hình 4), 24 giếng có tổng độ sâu từ 100–1800 m đã được khoan trong khoảng thời gian từ năm 2017 đến năm 2019 (Diallot và cộng sự, 2022). Giếng sâu nhất, Bougou-6, đã xuyên qua khoảng 300 m của tầng nền Archean.
Nỗ lực thăm dò mở rộng đã xác định được năm khoảng chứa khác nhau, bao gồm các loại đá cacbonat và đá sa thạch có niên đại Tân Nguyên sinh (Hình 5).
Các loại đá cacbonat không đồng nhất của các chứa nông hơn bị ảnh hưởng bởi quá trình dolomit hóa, karst hóa và biến chất, và độ xốp của chúng thay đổi từ 0,2 đến 14,3% (Bảng 3). Các loại đá cacbonat dolomit chủ yếu của chứa nông nhất được đặc trưng bởi sự phát triển karst rộng rãi dẫn đến độ xốp thứ cấp cao hơn và tích tụ hydro lớn hơn (Maiga và cộng sự, 2023). Do nhiệt độ và áp suất thay đổi ở các độ sâu khác nhau, hydro bị giữ lại dưới dạng khí tự do trong các bể chứa nông hơn (trên 800 m), trong khi ở các bể chứa sa thạch sâu, hydro hòa tan trong nước (Maiga và cộng sự, 2023).
Các khoảng bể chứa được ngăn cách bởi các ngưỡng dolerit rộng rãi được đặt xung quanh thời kỳ chuyển tiếp Trias-Jurassic. Dolerit, đặc biệt là các ngưỡng nông hơn với ít vết nứt hơn, là thành phần chính của hệ thống hydro tự nhiên giữ lại hydro tự nhiên và khả năng bịt kín của nó liên quan đến việc không có các vết rò rỉ hydro lớn phía trên các ngưỡng của mỏ Bourakebougou (Maiga và cộng sự, 2024). Một vết rò rỉ như vậy liên quan đến một vùng trũng dưới hình tròn, còn được gọi là vòng tròn thần tiên, được xác định ở phía đông của mỏ (Hình 4).
Trong mỏ Bourakebougou, tương tác nước-đá (oxy hóa sắt ferri và khử nước) được coi là quá trình tạo ra hydro chính, và nồng độ hydro cao trong các tầng giàu sắt của các bể chứa sa thạch và trong tầng nền plutonic bao gồm các khoáng chất chứa sắt gợi ý về nhiều nguồn hydro ở các độ sâu khác nhau (Maiga et al., 2023). Ngoài ra, việc tạo ra hydro thông qua quá trình phân hủy phóng xạ nước được gợi ý bởi heli và argon phóng xạ chỉ ra một
nguồn từ tầng hầm, trong khi tỷ lệ đồng vị ngăn cản nguồn gốc lớp phủ của chúng (Prinzhofer và cộng sự, 2018). Trong dự án thí điểm, áp suất khí không giảm mà tăng nhẹ trong giếng khai thác, do đó có khả năng tiếp tục nạp hydro vào các bể chứa (Maiga và cộng sự, 2023).
Nhận xét kết luận
Những lợi thế tiềm tàng của hydro tự nhiên trong việc bổ sung cho các công nghệ sản xuất hydro hiện có và các nguồn năng lượng tái tạo cũng như cung cấp năng lượng cho các cộng đồng không có lưới điện là rất đáng kể.
Tuy nhiên, người ta cho rằng quy mô tích tụ hydro tự nhiên đã biết nhỏ hơn nhiều so với trữ lượng hydrocarbon (Bảng 4) và không có công nghệ và cơ sở hạ tầng hiện có nào để sử dụng hydro tự nhiên, do đó, việc sản xuất hydro tự nhiên sẽ không khả thi về mặt kinh tế trong tương lai gần hoặc trước năm 2050. Nghiên cứu về hydro tự nhiên vẫn đang trong giai đoạn đầu và cần có thêm dữ liệu và kiến thức để đưa ra quyết định sáng suốt.
Tài liệu tham khảo
Tài liệu tham khảoBall, P. J., & Czado, K. (2022). Hydro tự nhiên: biên giới mới. Nhà khoa học địa chất, 32(1), 32–37.https://doi.org/10.1144/geosci2022-005Ball, P. J., & Czado, K. (2024). Hydro tự nhiên: Cuộc đua khám phá và chứng minh khái niệm.https://geoscientist.online/sections/unearthed/natural-hydrogen-the-race-to-discovery-and-concept-demonstration/Bettayeb, K. (2023). Một mỏ hydro khổng lồ ở đông bắc nước Pháp? https://news.cnrs.fr/articles/a-gigantic-hydrogen-deposit-in-northeast-franceBriere, D., Jerzykiewicz, T. & Sliwinski, W. (2017). Về việc tạo ra mô hình địa chất cho khí hydro ở lưu vực lớn Taoudenni phía Nam (Khu vực Bourakebougou, Mali). Bài báo Tìm kiếm và Khám phá, #42041.Brandt, A. R. (2023). Cường độ khí nhà kính của hydro tự nhiên được tạo ra từ các tích tụ địa chất dưới bề mặt. Joule, 7(8), 1818–1831. https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.07.001Central Petroleum. (2023). Ước tính tài nguyên cho ba giếng thăm dò dưới muối nhắm mục tiêu đến heli, hydro và khí tự nhiên. https://wcsecure.weblink.com.au/pdf/CTP/02655368.pdfDeWitt, J., McMahon, S., & Parnell, J. (2022). Ảnh hưởng của kích thước hạt đến quá trình phân hủy phóng xạ nước lỗ rỗng. Earth and SpaceScience, 9(6), e2021EA002024. https://doi.org/10.1029/2021ea002024Diallo, A., Cissé, C. S. T., Lemay, J. & Brière, D. J. (2022). La découverte de l’hydrogène tự nhiên của Hydroma, un
Bản đồ Câu chuyện về Hydro tự nhiên Nội dung Tài liệu tham khảo
Trang chủ của Viện Năng lượng và Khoa học Trái đất tại Đại học Utah
Tác giả nội dung
Eiichi Setoyama, Bryony Richards, Christopher Kesler và Tony Doré. 2024. Nền tảng kiến thức về hydro tự nhiên: Giới thiệu về nghiên cứu hydro tự nhiên. Báo cáo EGI (Sách trắng kỹ thuật) I 01416. https://doi.org/10.26052/d-dee3-axrq
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt