Водород, выделяющий из недр земли, может стать источником дешевой экологически чистой энергии. Реальность таких проектов пока сомнительна, но с подземным водородом связан ряд принципиальных вопросов в сегменте ископаемого топлива, климата планеты и даже плодородия почвы.
Материал подготовлен Институтом развития технологий ТЭК.
Министерство энергетики США объявило о выделении до 20 миллионов долларов на разработку технологий, которые могут стимулировать добычу подземного водорода.
В последнее время растет интерес к естественно накапливающимся объемам подземного водорода, чем занимается, например, Геологическая служба США (USGS).
Из недр планеты истекает и накапливается в некоторых геологических структурах по разным оценкам от 500 тыс. до миллиардов тонн водорода в год водорода.
Хотя запасы естественно накапливаемого водорода сами по себе могут оказать влияние на энергетическую экономику США, перед геологами и геохимиками поставлена задача − оценить использование рассеянного в земной коре железа для производства водорода. В коре до глубины в 3 км теоретически может быть получено около 150 000 Гт H2. (Для справки, энергии 1 Гт H2 достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией всю территорию США в течение года).
Выделенные $20 млн будут потрачены Агентством перспективных исследовательских проектов в энергетике (ARPA-E) на две темы. Первая − поиск технологий, которые позволят производить геологический водород посредством стимулированных минералогических процессов. Вторая − разработка технологий, связанных с добычей геологического водорода, включая совершенствование методов подземной транспортировки и инженерной локализации, мониторинга резервуаров и/или моделирования во время добычи, а также оценки риска разработки месторождений водорода.
Основные параметры проектов добычи подземного водорода
С хранением водорода в горных породах и соляных пещерах сейчас связывают свои надежды адепты водородной энергетики. Например, в июне 2022 года в Швеции было запущено в эксплуатацию первое в мире хранилище водорода в горной породе. Объект будет тестироваться до 2024 года.
В 2022 году Геологическая служба США представила предварительную модель глобального потенциала подземных природных ресурсов водорода, в которой говорилось:
— Результаты стохастической модели указывают на более чем 98%-ную вероятность того, что к 2100 году производство геологического H2 достигнет, по меньшей мере. 50% от прогнозируемого производства «зеленого H2» к 2100 году и далее, при этом производство H2 из возобновляемых источников в долгосрочной перспективе потенциально может составлять 100 млн тонн в год. Более того, модель показывает, что время пребывания H2 в резервуарах и годовой приток H2 в атмосферу являются наиболее значимыми факторами, влияющими на ресурсный потенциал, тогда как различия в биотическом и абиотическом потреблении H2 оказывают относительно небольшое влияние. Эти результаты убедительно свидетельствуют о необходимости дополнительного изучения ресурсного потенциала природного H2.
Водородную дегазацию Земли изучали и советские ученые. С накоплением водорода и его залповыми выбросами связывают два взрыва в 1991 и 1992 гг. с образованием воронок диаметром 15 и 28 м и глубиной 4 м в районе города Сасово в Рязанской области. Приборы и через несколько лет показали высокую концентрацию водорода в этом районе.
Судя по космическим снимкам, в некоторых районах выходы водорода занимают до 10-15% территории (Липецкая, Воронежская, Рязанская, Тамбовская, Московская, Нижегородская области).
На международном уровне интерес к подземному водороду резко вырос после публикации в 2018 году статьи в Международном журнале водородной энергетики о малийской феномене − мощном и стабильном потоке водорода из скважины, пробуренной в поисках воды на глубину 108 м.
Малийский феномен упоминается в статье от 16 февраля нынешнего года в большой статье в Science. В статье приводятся данные о содержании в выделяющихся в шахтах газов до 30% водорода и о круговых структурах, связываемых с выделившимся водородом.
В статье Science сообщалось, что из одной скважины, пробуренной в 1921 году на острове Кенгуру (Австралия), в выделившихся газах было 80% водорода. На другой скважине, на соседнем полуострове Йорк, доля водорода была близка к 70%.
Пока невозможно предсказать коммерческий успех стартапов, собирающихся добывать водород из недр планеты. Но несомненно, что изучение водородной дегазации планеты чрезвычайно важно. Первая важнейшая задача − оценка перспектив нефтегазодобычи.
В составе органических остатков осадочных пород (нефтематеринских) содержится один-полтора атома водорода на один атом углерода (формула целлюлозы C6H10O5). В природном метане на один атом углерода приходится 4 атома водорода. В нефтяных производных отношение Н/С варьирует в интервале от 2 до 2,5. Таким образом, «вечная» для геологов проблема происхождения нефти и газа сводится к проблеме − откуда нефть получает дополнительный водород. Если водород истекает струями из глубоких недр планеты, то ответ найден. Там, где струи водорода попадают в обогащенные углеродом толщи, должны идти реакции гидрогенизации, т.е. должны формироваться нефтеносные провинции и месторождения природного газа. Углерод, считают приверженцы абиогенного происхождения углеводородов, при этом может быть любой – и в виде растительных остатков в осадочных породах, и в виде графита в метаморфических сланцах кристаллического цоколя платформ. По этой причине не следует удивляться, если в районах, где отсутствуют «нефтематеринские бассейны», вдруг обнаруживаются месторождения с хорошим дебитом.
В свете водородной дегазации планеты находит свое объяснение и образование сланцевого газа. Он образуется прямо сейчас вследствие реакции глубинного водорода с углеродсодержащей органикой сланцев. Соответственно, нет никаких оснований надеяться на скорое исчерпание сланцевого газа. Напротив, этот метан будет генерироваться в сланцах до тех пор, пока идет дегазация глубинного водорода, а дегазация может продлиться тысячи лет. Идентично объяснение восстановления истощенных месторождений нефти через десятки лет.
Водородной дегазацией можно объяснить эффект «глобального потепления». В статьях В. Ларина, Н. Ларина и В. Сывороткина эффекты аномально жаркой погоды объясняются усилением солнечной радиации из-за разрушения озонового слоя планеты вследствие усиливающейся водородной дегазации. Отсюда «необъяснимое» аномальное потепление северной части Сибири, где установленное выделение метана и водорода приводит к разрушению озонового слоя.
Еще один эффект, гипотетически связанный с усилением водородной дегазации, − «Серебристые облака». До лета 1885 года специалисты по атмосфере никогда не наблюдали серебристые облака. Они состоят из ледяных кристалликов воды и располагаются на высоте 75-90 км (в зоне мезопаузы). Водяной пар не может проникнуть в эту зону, где температура опускается до минус 100 ºС, вся вода вымораживается полностью на гораздо меньших высотах. Но если от Земли идет диссипация водорода в космическое пространство, то он способен проникать в зону мезопаузы. Это выше озонового слоя, там много солнечной радиации и есть кислород – все, что нужно для образования воды. Появление серебристых облаков подтверждает наблюдения заметно усилившейся водородной дегазации планеты в целом и Русской платформы в частности.
Еще можно упомянуть гипотезу, что в рамках «Гипотезы Изначально Гидридной Земли» региональная водородная аномалия является, возможно, ранним симптомом подготовки Русской платформы к излияниям плато-базальтов (траппов). Наша платформа – единственная среди древних платформ, где еще не проявился трапповый магматизм, на остальных он широко проявился в мезозое и палеогене. Это явление хорошо изучено, и в нем поражают: полное отсутствие предварительной тектонической и геотермальной активности, внезапное начало и гигантские объемы излившейся лавы. Это не обычный вулканизм, это “flood-basalts” – в буквальном переводе «затопляющие базальты». В Индии на плато Декан этими базальтами залито 650 000 кв. км, у нас на Восточно-Сибирской платформе их еще больше. По представлениям геологов, данным излияния плато-базальтов — это планетарное геологическое будущее, и до него могут пройти миллионы лет. Но этих миллионов может и не быть – ведь региональная водородная аномалия уже существует.