Hydro tự nhiên, còn được gọi là hydro địa chất, bản địa, vàng và trắng, là một nguồn năng lượng chính có tiềm năng to lớn.
Một bản đồ câu chuyện của một nhóm nghiên cứu tại Viện Năng lượng &; Khoa học Địa chất tại Đại học Utah
Giới thiệu
Hydro tự nhiên, còn được gọi là hydro địa chất, bản địa, vàng và trắng, là một nguồn năng lượng chính có tiềm năng nuôi sống một xã hội tương lai với nhu cầu hydro ngày càng tăng. Các quy trình đa thế hệ của nó gợi ý về sự phân bố địa lý rộng lớn về tiềm năng phát điện, có thể cung cấp năng lượng phát thải thấp cho các cộng đồng ngoài lưới điện và bổ sung các nguồn năng lượng tái tạo hiện có.
Việc sử dụng hydro hiện nay chủ yếu là nguyên liệu và vectơ năng lượng ở một mức độ nhỏ (Hình 1). Tuy nhiên, việc sử dụng nó như một nguồn năng lượng sơ cấp phát thải thấp trong giao thông vận tải (hàng không, hàng hải và đường bộ) và sản xuất điện được thiết lập để phát triển trong hỗn hợp năng lượng trong tương lai. Hydro cũng dự kiến sẽ đóng một vai trò lớn trong việc khử cacbon của các ngành công nghiệp khó giảm bớt, chẳng hạn như sắt thép, hóa chất và lọc dầu. Như vậy, tổng nhu cầu hydro toàn cầu vào năm 2050 dự kiến sẽ cao hơn 5 lần so với năm 2021.
Ngành công nghiệp phụ thuộc rất nhiều vào hydro được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch thông qua các 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 ngọc lam) và điện phân nước được cung cấp nhiên liệu bằng năng lượng tái tạo (hydro hồng, vàng và xanh lá cây), chỉ chia sẻ một phần nhỏ (0,7%) hydro được sản xuất công nghiệp (IEA, 2023, Global Hydrogen Review).
Trong kịch bản phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, hầu hết hydro công nghiệp được sản xuất thông qua các quy trình phát thải thấp và tỷ trọng của nó dự kiến sẽ tăng từ <1% vào năm 2022 lên 55% vào năm 2030 và lên >90% vào năm 2050 (IEA, 2023, Lộ trình phát thải ròng bằng không). Mặc dù công suất tích lũy của máy điện phân sẽ tăng lên trong những thập kỷ tới để lấp đầy khoảng cách dự đoán giữa nhu cầu hydro phát thải thấp và nguồn cung, nhưng đương nhiên một nguồn hydro phát thải thấp bổ sung có tiềm năng sản xuất cao sẽ tạo điều kiện chuyển đổi sang hỗn hợp năng lượng linh hoạt hơn.
Xuất hiện hydro tự nhiên
Hydro có mặt trong khí quyển, sinh quyển, thủy quyển và thạch quyển, và các khí và dung dịch giàu hydro được ghi nhận trong lịch sử tại các vết thấm, suối, núi lửa, rặng núi giữa đại dương và lỗ khoan (Zgonnik, 2020). Mặc dù các bài báo ban đầu về tiềm năng của hydro tự nhiên như một nhiên liệu thay thế (Petersen, 1990; Smith et al., 2005) và việc phát hiện ra mỏ Bourakebougou ở Mali, nơi khí hydro hầu như tinh khiết (98% H 2, 1% N 2, 1% CH 4 ) được tìm thấy trong giếng nước, được khoan ban đầu vào năm 1987 và rút phích cắm vào năm 2011 (Prinzhofer et al., 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 hydro đậm đặc trên toàn cầu (ví dụ: Truche &; Bazarkina, 2019; Zgonnik, 2020) và báo cáo khí giàu hydro trong các tầng dưới bề mặt, ví dụ: ở Albania, Úc, Canada, Trung Quốc, Colombia, Phần Lan, Pháp, Mali, Nam Phi, Tây Ban Nha và Hoa Kỳ. Sau đó, hydro xuất hiện tự nhiên đã thu hút được nghiên cứu và sự quan tâm của công chúng, đặc biệt là sau khi xuất bản bài báo "Hydro ẩn" (Hand, 2023), dẫn đến sự gia tăng gần đây về số lượng các công ty khởi nghiệp, cơ hội tài trợ và các nhóm nghiên cứu, và trong sự bùng nổ dữ liệu hiện tại (Ball &; Czado, 2024).
Lợi thế hydro tiềm năng
Mặc dù mỏ Bourakebougou là địa điểm hoạt động duy nhất, những lợi thế của hydro tự nhiên như một nguồn năng lượng chính đã được thảo luận bởi các tác giả khác nhau. Dưới đây là một vài ví dụ.
Cân nhắc chi phí
Chi phí sản xuất hydro tự nhiên sẽ phụ thuộc vào các yếu tố, chẳng hạn như nồng độ hydro, thành phần khí liên quan và độ sâu giếng. Tuy nhiên, nó dự kiến sẽ thấp hơn $ 1 / kg H 2 (Gaucher et al., 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 H 2 đối với hydro xanh và 3,4-12 / kg H 2 đối với điện phân với các nguồn năng lượng tái tạo (Hình 3).
Cường độ khí nhà kính (GHG)
Cường độ GHG của 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 metan. Nó được ước tính luôn thấp hơn so với hydro xanh (8,9 kg CO 2 eq/kg H 2 , Lewis et al., 2022) và hydro vàng (3,6 kg CO 2 eq/kg H 2 , Kanz et al. 2021) khi hàm lượng metan thấp hơn 30% (Brandt, 2023).
Ưu điểm khác
Chúng bao gồm một dấu chân khoáng sản và nước nhỏ, không có thời gian chết, đốt cháy trực tiếp mà không cần tinh chế và trang bị thêm các cơ sở khí đốt tự nhiên hiện có (phân phối và đốt cháy).
Quy trình sản xuất hydro tự nhiên
Milkov (2022) đã xác định được 32 phản ứng tạo hydro phi sinh học / sinh học và nhân tạo tự nhiên, và sự xuất hiện phổ biến của hydro tự nhiên trong các môi trường địa chất khác nhau có thể được quy cho nhiều loại vật liệu nguồn và phản ứng phát sinh (Bảng 1). Đối với thăm dò hydro tự nhiên trên bờ, (a) phản ứng oxy hóa khử giữa sắt sắt và nước, (b) phóng xạ nước và (c) sự trưởng thành quá mức của chất hữu cơ được coi là phản ứng tạo hydro chính của Lévy et al. (2023).
Một sự khác biệt đáng chú ý giữa hydro tự nhiên và hydrocarbon là tốc độ phát sinh của chúng. Việc tạo ra hydrocarbon thường xảy ra trên thang thời gian địa chất, trong khi các phản ứng oxy hóa khử tạo ra hydro diễn ra trên thang thời gian của con người, về mặt lý thuyết có thể được kích thích với khả năng tạo ra hydro tăng cường kỹ thuật (hydro cam) bất cứ nơi nào có điều kiện địa chất thuận lợi. Hoạt động nạp lại hydro tự nhiên đã được đề xuất cho các hồ chứa Bourakebougou, Mali và Kansas, Hoa Kỳ. Nếu tỷ lệ sản xuất và tiêu thụ hydro tự nhiên được giữ dưới hoặc bằng tốc độ nạp lại, có thể không cần tích lũy dưới bề mặt lớn cho sản xuất quy mô nhỏ để sử dụng hydro tự nhiên tại địa phương. Tuy nhiên, để hydro tự nhiên thay đổi cuộc chơi, các hồ chứa đủ lớn để kinh tế được tìm kiếm.
Hồ chứa hydro tự nhiên &; Con dấu
Hầu hết hydro được tạo ra trong môi trường dưới bề mặt di chuyển từ các nguồn của nó và thoát ra khí quyển bằng các cơ chế khuếch tán và đối lưu nếu không có con dấu hiệu quả để chứa hydro trong các hồ chứa. Tốc độ di chuyển hydro là một chức năng của thạch học, vật lý dầu khí và điều kiện dưới bề mặt. Di cư dưới bề mặt diễn ra trên quy mô thời gian từ vài ngày đến hàng nghìn năm và di cư đường dài được tạo điều kiện thuận lợi bởi sự đối lưu dọc theo các đứt gãy sâu (Lodhia &; Peeters, 2024).
Sự tích lũy hydro đã được quan sát thấy trong một loạt các thạch học, bao gồm evaporit, siliciclastics, cacbonat, và đá mácma và đá biến chất (Bảng 2). Bệ cửa Dolerit và evaporit được coi là đá nắp hiệu quả, trong khi khả năng bẫy hydro của đá giàu đất sét bị nghi ngờ, ít nhất là trong lĩnh vực Bourakebougou (Maiga et al., 2023). Các tầng chứa nước cũng có thể giúp giữ lại hydro ở độ sâu nông vì độ hòa tan thấp của hydro ở áp suất thấp, như đã quan sát thấy ở Mali (Maiga et al., 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 bắt đầu vào năm 2012 và cung cấp điện cho làng Bourakebougou trong hơn bảy năm (Diallot et al., 2022).
Sau một loạt các chiến dịch trinh sát, bao gồm các giếng địa tầng F1 và F2 khoan cách Bourakebougou 80 km về phía bắc (Hình 4), 24 giếng với tổng độ sâu 100–1800 m đã được khoan từ năm 2017 đến năm 2019 (Diallot et al. 2022). Giếng sâu nhất, Bougou-6, xuyên qua khoảng 300 m tầng hầm Archean.
Nỗ lực thăm dò mở rộng đã xác định năm khoảng hồ chứa khác nhau, bao gồm cacbonat và sa thạch của thời đại Tân Nguyên sinh (Hình 5).
Các loại đá cacbonat không đồng nhất của các hồ chứa nông hơn bị ảnh hưởng bởi quá trình dolomitis, karst hóa và biến chất, và độ xốp của chúng thay đổi từ 0, 2 đến 14, 3% (Bảng 3). Các cacbonat chủ yếu là dolomitic của hồ chứa nông nhất được đặc trưng bởi sự phát triển karst rộng rãi dẫn đến độ xốp thứ cấp cao hơn và tích lũy hydro lớn hơn (Maiga et al., 2023). Do thay đổi nhiệt độ và áp suất ở các độ sâu khác nhau, hydro bị giữ lại dưới dạng khí tự do trong các hồ chứa nông hơn (trên 800 m), trong khi ở các hồ chứa sa thạch sâu, hydro bị hòa tan trong nước (Maiga et al., 2023).
Các khoảng thời gian hồ chứa được ngăn cách bởi các bệ dolerit rộng rãi được đặt xung quanh quá trình chuyển đổi Trias - Jura. Các dolerites, đặc biệt là các ngưỡng cửa nông hơn với ít gãy xương hơn, là thành phần chính của hệ thống hydro tự nhiên bẫy hydro tự nhiên và khả năng bịt kín của nó có liên quan đến việc không có sự rò rỉ hydro lớn trên ngưỡng cửa của mỏ Bourakebougou (Maiga et al., 2024). Một sự rò rỉ như vậy liên quan đến một vết lõm dưới tròn, còn được gọi là vòng tròn tiên, được xác định ở phía đông của cánh đồng (Hình 4).
Trong lĩnh vực Bourakebougou, tương tác nước-đá (oxy hóa sắt sắt và khử nước) được coi là quá trình tạo hydro chính và nồng độ hydro tăng cao trong các chân trời giàu sắt của các hồ chứa sa thạch và trong tầng hầm plutonic bao gồm các khoáng chất chứa sắt gợi ý nhiều nguồn hydro ở các độ sâu khác nhau (Maiga et al., 2023). Ngoài ra, việc tạo ra hydro thông qua phóng xạ nước được đề xuất bởi helium phóng xạ và argon chỉ ra nguồn sâu từ tầng hầm, trong khi tỷ lệ đồng vị loại trừ nguồn gốc lớp phủ của chúng (Prinzhofer et al., 2018). Trong dự án thí điểm, áp suất khí không giảm mà tăng nhẹ trong giếng sản xuất, và do đó có khả năng nạp lại hydro liên tục trong các hồ chứa (Maiga et al., 2023).
Phát biểu kết luận
Những lợi thế tiềm năng của hydro tự nhiên để bổ sung cho các công nghệ sản xuất hydro hiện có và các nguồn năng lượng tái tạo và cung cấp năng lượng cho các cộng đồng ngoài lưới điện là rất đáng kể.
Tuy nhiên, người ta đã lập luận rằng quy mô tích lũy 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 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 hydro tự nhiên vẫn đang trong giai đoạn đầu, và cần nhiều dữ liệu và kiến thức hơn để đưa ra quyết định sáng suốt.
Tham khảo
Tài liệu tham khảoBall, PJ, &; Czado, K. (2022). Hydro tự nhiên: biên giới mới. Nhà địa chất học, 32(1), 32–37.https://doi.org/10.1144/geosci2022-005Ball, P. J., &; Czado, K. (2024). Hydro tự nhiên: Cuộc đua khám phá và trình diễn 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 phía 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 một mô hình địa chất cho khí hydro ở siêu lưu vực Nam Taoudenni (khu vực Bourakebougou, Mali). Bài viết Tìm kiếm và Khám phá, # 42041.Brandt, A. R. (2023). Cường độ khí nhà kính của hydro tự nhiên được tạo ra từ tích lũy địa chất dưới bề mặt. Joule, 7(8), 1818–1831. https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.07.001Central Dầu khí. (2023). Ước tính tài nguyên cho ba giếng thăm dò muối phụ nhắm vào 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 phóng xạ nước lỗ chân lông. Khoa học Trái đất và Vũ trụ, 9 (6), e2021EA002024. https://doi.org/10.1029/2021ea002024Diallo, A., Cissé, C. S. T., Lemay, J. &; Brière, DJ (2022). La découverte de l'hydrogène naturel par Hydroma, un« Game Changer » pour la transition énergétique. Annales des Mines - Réalités Industrielles, Tháng Mười Một2022(4), 154–160. https://doi.org/10.3917/rindu1.224.0154EIA. (2024). Dầu thô và khí đốt tự nhiên của Hoa Kỳ đã chứng minh trữ lượng, cuối năm 2022.https://www.eia.gov/naturalgas/crudeoilreserves/Gaucher, E. C., Moretti, I., Pélissier, N., Burridge, G., &; Gonthier, N. (2023). Vị trí của hydro tự nhiên trong quá trình chuyển đổi năng lượng: Một bài báo vị trí. Nhà địa chất châu Âu, 55, 5–9.Gold hydro. (2023). Tài nguyên tiềm năng được tóm tắt từ Báo cáo chuyên gia kỹ thuật.https://www.goldhydrogen.com.au/docs/221021_GHY_ProspectiveResourceTable.pdfGold Hydrogen. (2024). Báo cáo tài nguyên tiềm năng của Dự án Ramsay Helium.https://www.goldhydrogen.com.au/wp/wp-content/uploads/2024.02.21-ASX-Announcement-Helium-Prospective-Resource-Report.pdfHand, E. (2023). Hydro ẩn. Khoa học, 379(6633), 630–636. https://doi.org/10.1126/science.adh1477Helios Aragon. (2024). Dự án Monzon. https://helios-aragon.com/aragon-project/Huang, F., Barbier, S., Tao, R., Hao, J., Real, PG del, Peuble, S., Merdith, A., Leichnig, V., Perrillat, J., Fontaine, K., Fox, P., Andreani, M., &; Daniel, I. (2021). Bộ dữ liệu cho H 2, CH 4 và sự hình thành các hợp chất hữu cơ trong quá trình serpentin hóa thực nghiệm. Tạp chí Dữ liệu Khoa học Địa chất, 8 (1), 90–100.https://doi.org/10.1002/gdj3.105Huang, R., Lin, C.-T., Sun, W., Ding, X., Zhan, W., & Zhu, J. (2017). Việc sản xuất oxit sắt trong quá trình peridotiteserpentin hóa: Ảnh hưởng của pyroxene. Biên giới Khoa học Địa chất, 8 (6), 1311–1321.https://doi.org/10.1016/j.gsf.2017.01.001HyTerra (2024). Dự án. https://hyterra.com/projects/IEA. (2023). Đánh giá hydro toàn cầu 2023. IEA, Paris. https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2023IEA. (2023). Lộ trình Net Zero: Lộ trình toàn cầu để giữ mục tiêu 1,5 °C trong tầm tay. IEA, Paris.https://www.iea.org/reports/net-zero-roadmap-a-global-pathway-to-keep-the-15-0c-goal-in-reachIEA. (2023). Hướng tới các định nghĩa hydro dựa trên cường độ phát thải của chúng. IEA, Paris.https://www.iea.org/reports/towards-hydrogen-definitions-based-on-their-emissions-intensity
