Sinh hydro địa chất kết hợp với khoáng hóa CO₂ – Chiến lược kép cho quá trình khử carbon năng lượng
Ngày 16 tháng 6 năm 2026
Annie Nguyễn
Một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí International Journal of Hydrogen Energy (ngày 14 tháng 6 năm 2026) bởi nhóm tác giả Conghao Yi, Catherine A. Peters (Đại học Princeton) và David R. Cole (Đại học Bang Ohio) đã mở ra một hướng tiếp cận đầy hứa hẹn trong việc kết hợp hai mục tiêu quan trọng của quá trình chuyển dịch năng lượng: sản xuất hydro sạch và lưu trữ carbon dioxide (CO₂). Nghiên cứu sử dụng mô hình động học địa hóa để đánh giá khả năng tăng cường sinh hydro tự nhiên trong các thành hệ đá siêu mafic (ultramafic) thông qua việc bơm CO₂ vào lòng đất.
Cơ chế phản ứng và vai trò của CO₂
Các thành hệ đá siêu mafic, giàu sắt và magie, có khả năng sinh hydro tự nhiên thông qua quá trình serpentin hóa – trong đó sắt hóa trị hai (Fe(II)) trong các khoáng vật nguyên sinh (như olivin) phản ứng với nước, tạo ra hydro và kết tủa các khoáng vật chứa sắt hóa trị ba (Fe(III)). Đồng thời, các ion kim loại hóa trị hai (Mg, Fe, Ca) trong đá có thể phản ứng với CO₂ để tạo thành khoáng vật carbonate, lưu trữ carbon vĩnh viễn. Nghiên cứu này đặt câu hỏi liệu CO₂ có thể vừa là tác nhân thúc đẩy sinh hydro, vừa được lưu trữ trong cùng một thành hệ đá.
Mô hình mô phỏng cho thấy CO₂ hòa tan trong nước tạo thành axit carbonic, làm giảm pH và thúc đẩy quá trình hòa tan khoáng vật nguyên sinh, giải phóng nhiều Fe(II) hơn. Kết quả là, ở nhiệt độ dưới khoảng 150°C, CO₂ có thể tăng cường sinh hydro lên đến 31% so với hệ thống không có CO₂. Tuy nhiên, CO₂ cũng tạo ra các tác động cạnh tranh: làm giảm tỷ lệ Fe(II) được oxy hóa thành Fe(III) để sinh hydro. Tác động tích cực của CO₂ chỉ chiếm ưu thế ở nhiệt độ dưới 150°C – thấp hơn nhiều so với nhận định trước đây, mở ra khả năng áp dụng ở các thành hệ nông hơn, giảm chi phí và độ phức tạp kỹ thuật.
Vai trò của magie – “kẻ săn SiO₂”
Một phát hiện quan trọng khác của nghiên cứu là vai trò của magie (Mg) trong việc thúc đẩy sinh hydro. Mg trong khoáng vật forsterite (Mg₂SiO₄) hoạt động như một “kẻ săn” SiO₂ hòa tan, ngăn cản sự kết tủa của greenalite – một khoáng vật sắt silicat chiếm diện tích lỗ rỗng và làm giảm khả năng sinh hydro. Nhờ đó, nhiều Fe(II) hơn được giải phóng để tham gia phản ứng oxy hóa tạo hydro. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn địa điểm: cả các thành hệ giàu sắt và giàu magie đều có thể tạo ra lượng hydro tương tự, mở rộng phạm vi các vị trí địa chất tiềm năng cho triển khai quy mô lớn.
CO₂ khoáng hóa chủ yếu thành magnesit, không phải siderit
Một điểm đáng chú ý là CO₂ khi được khoáng hóa chủ yếu tạo thành magnesit (MgCO₃) thay vì siderit (FeCO₃). Điều này rất quan trọng vì siderit sẽ “bẫy” Fe(II) – nguồn nguyên liệu chính để sản xuất hydro – trong khi magnesit sử dụng Mg, để lại Fe(II) cho phản ứng sinh hydro. Cơ chế này cho phép cả hai quá trình (sinh hydro và khoáng hóa CO₂) diễn ra đồng thời mà không cạnh tranh trực tiếp với nhau.
Tác động đến mục tiêu phát thải ròng bằng 0
Theo kịch bản của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), nhu cầu hydro hàng năm cho phát điện vào năm 2030 là 22 triệu tấn và nhu cầu thu giữ CO₂ là 1.024 triệu tấn. Nghiên cứu cho thấy, với cơ chế kết hợp, thể tích thành hệ đá cần thiết để sản xuất 22 triệu tấn H₂ mỗi năm có thể giảm tới 90 km³ so với phương pháp sinh hydro tự nhiên đơn thuần, đồng thời khoáng hóa được 152 triệu tấn CO₂ (khoảng 15% nhu cầu lưu trữ hàng năm).
Kết luận và triển vọng
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp bơm CO₂ vào các thành hệ đá siêu mafic có thể là một chiến lược “hai trong một” đầy hứa hẹn: vừa tăng cường sản xuất hydro, vừa lưu trữ CO₂ dưới dạng khoáng vật bền vững. Tuy nhiên, các tác giả cũng nhấn mạnh rằng còn nhiều thách thức cần được giải quyết trước khi triển khai thực tế, bao gồm: sự bít kín lỗ rỗng do kết tủa khoáng vật thứ cấp, nhu cầu về dòng chảy nước tuần hoàn để duy trì phản ứng, và sự không chắc chắn về các thông số động học của các khoáng vật thứ cấp. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào tác động của CO₂ đối với các hệ thống đá siêu mafic chứa cả olivin và pyroxen, cũng như các thí nghiệm thực địa để xác minh các dự đoán mô hình.
