Khai thác Hydro Tự Nhiên: Tiềm năng năng lượng từ sâu trong lòng Trái đất

Quy mô thạch quyển – kiến tạo mảng

Khái niệm hydro tự nhiên — hydro được hình thành và tích tụ tự nhiên trong lòng đất — đang nhận được sự quan tâm ngày càng lớn trong các thảo luận toàn cầu về năng lượng. Khác với hydro sản xuất bằng các quy trình công nghiệp như điện phân hay reforming metan bằng hơi nước, hydro tự nhiên tồn tại như một nguồn năng lượng sơ cấp có thể được khai thác trực tiếp từ Trái Đất.

Ý tưởng này thực ra không hề mới. Tiến sĩ Larin Vladimir, một nhà khoa học Liên Xô, đã trình bày học thuyết về sự tồn tại của các túi hydro khổng lồ trong vỏ và manti Trái Đất từ thập niên 1960. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, khái niệm này ít được chú ý do sự thống trị của nhiên liệu hóa thạch và thiếu công nghệ để tiếp tục nghiên cứu, khai thác.

Sơ đồ bên trái minh họa quá trình hình thành và dịch chuyển khí hydro (H₂) trong lòng Trái đất ở quy mô kiến tạo mảng.

• Asthenosphere (thạch quyển mềm, ~120 km sâu): Đây là lớp vật chất nóng chảy bán dẻo, nơi diễn ra chuyển động đối lưu. Chuyển động này thúc đẩy sự dịch chuyển của vật chất và năng lượng trong lòng Trái đất.

• Lithosphere (thạch quyển – lớp đá silicat): Nằm phía trên asthenosphere, là lớp đá rắn tạo nên vỏ Trái đất và phần trên của manti.

• Crust (vỏ Trái đất): Lớp ngoài cùng, nơi con người có thể khoan thăm dò và khai thác.

Dòng mũi tên xanh trong sơ đồ biểu thị sự dịch chuyển thẳng đứng của khí hydro từ các tầng sâu lên phía bề mặt. Trong quá trình này, hydro được tích tụ tại một số vị trí đặc biệt:

• “Harvest zone”: vùng tích tụ, nơi lượng hydro đủ lớn để có thể khai thác.

• “Discharge zone”: vùng thoát khí, nơi hydro bị giải phóng ra bề mặt hoặc khí quyển nếu không được giữ lại.

Cơ chế này giải thích vì sao ở nhiều khu vực trên thế giới, đặc biệt tại các rift, đới hút chìm, hay nền đá siêu mafic, có thể phát hiện dòng khí hydro thoát ra tự nhiên.

Cấu trúc chi tiết của một giếng khai thác

Sơ đồ bên phải phóng to cấu trúc tại một điểm khai thác:

• Well (giếng khoan): Công trình khoan xuyên qua vỏ Trái đất để tiếp cận các túi khí hydro.

• Sedimentary formations (tầng trầm tích): Các lớp đá trầm tích có thể đóng vai trò như “bẫy” giữ hydro hoặc tạo đường dẫn giúp hydro tập trung.

• Basement (tầng đá gốc): Lớp đá nền sâu, nơi hydro được sinh ra từ phản ứng địa hóa. Một cơ chế điển hình là serpentinization – quá trình khoáng silicat (như olivin, pyroxen) phản ứng với nước để tạo hydro.

Các đường cong xanh lam minh họa sự di chuyển và phân bố của hydro: từ tầng đá gốc, khí thoát dần lên qua các lớp trầm tích, sau đó tập trung thành “túi khí” có thể khai thác bằng giếng khoan.

Ngày nay, trong bối cảnh cấp bách của quá trình khử carbon và sự phát triển nhanh chóng của các kỹ thuật thăm dò, hydro tự nhiên đã trở lại như một triển vọng nghiêm túc. Những phát hiện ban đầu ở châu Phi, Hoa Kỳ và châu Âu cho thấy sự rò rỉ và tích tụ hydro phổ biến hơn nhiều so với nhận định trước đây.

Nếu được xác nhận là phong phú và có thể khai thác kinh tế, hydro tự nhiên có thể tái định hình hệ thống năng lượng toàn cầu. Nó sẽ cung cấp một nguồn nhiên liệu chi phí thấp, ít carbon, đồng thời tránh được các quy trình sản xuất hydro tốn kém và tiêu thụ nhiều năng lượng hiện nay.

Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật và môi trường — từ việc lập bản đồ trữ lượng, phát triển công nghệ khai thác an toàn, đến đánh giá tính bền vững lâu dài — tiềm năng của hydro tự nhiên là rất lớn. Một lý thuyết từng bị bỏ qua từ cộng đồng khoa học Liên Xô những năm 1960 nay đang được kiểm chứng trên quy mô toàn cầu, mở ra khả năng đột phá trong cuộc đua năng lượng sạch.

Ý nghĩa địa chất và năng lượng

Hydro tự nhiên (natural hydrogen) là một nguồn năng lượng mới, khác biệt với hydro nhân tạo (sản xuất qua điện phân nước hoặc từ khí hóa thạch kèm CCS).

• Nguồn gốc: Được sinh ra từ phản ứng địa hóa sâu trong vỏ Trái đất, đặc biệt ở các khu vực có đá siêu mafic tiếp xúc với nước.

• Ưu điểm: Không cần điện phân, không tiêu tốn năng lượng tái tạo, không phụ thuộc vào công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS).

• Tính bền vững: Nếu dòng hydro được bổ sung liên tục từ các phản ứng địa hóa, đây có thể là nguồn tài nguyên tái tạo tự nhiên.

Hiện nay, Mỹ, châu Phi và châu Âu đang tiến hành nhiều dự án khảo sát và thăm dò, coi hydro tự nhiên như một hướng đi tiềm năng để có nguồn H₂ rẻ, quy mô lớn, và ít phát thải.