Геологічна цікавість природного водню або основне джерело енергії у майбутньому Знання
E2S, Університет По і Пей-де-л-Адур
Член Академії технологій
Століття тому ми виробляли міський газ, спалюючи вугілля, потім були знайдені великі запаси природного газу, і ми припинили видобуток цього газу, який був дорожчим, ніж «рідний», містив високотоксичний CO і виробництво якого забруднювало. Чи відбуватиметься така сама еволюція водню? В даний час споживаний водень виробляється головним чином з метану, або загальніше з вуглеводнів, шляхом парового крекінгу - способу виробництва, який, очевидно, є дуже вуглецевим.
Водень також існує над землею і під землею, і його пряме вилучення, хоча й досі анекдотичне, починає серйозно розглядатися з метою отримання справді «зеленого» і недорогого водню (1). Давайте підведемо підсумок знань та відкриємо питання.
Яке походження "природного" водню ?
Водень присутній у Всесвіті, це навіть найпоширеніша молекула. Однак у земній атмосфері він існує лише у дуже невеликих кількостях (близько 0,5 ppm). На Землі ми знаходимо водень переважно у комбінованій формі - з киснем у воді (H20), вуглецем (CH4, C2H6 тощо), але також безпосередньо у газоподібній формі.
Кілька явищ викликають безперервне утворення водню в земній корі. Взаємодія вода/гірська порода, діагенез, вивільнятиме водень з води під час явищ окислення, явищ, які можна спостерігати в різних геологічних контекстах. Як тільки, наприклад, "залізне" залізо (Fe 2+) контактує з водою (морем чи дощем), воно окислюється до заліза Fe 3+ і виділяє водень. Така ж реакція може бути проведена і з іншими металами, такими як магній; він швидкий і ефективний при високих температурах - близько 300 ° C - але також можливий і при більш низьких температурах.
Відомі й інші джерела природного водню: природна радіоактивність земної кори (2) (радіоліз) може, зокрема, відокремлювати водень та кисень від води та виділяти ці гази.
Збереження великої кількості "необхідного" Н2 також є напрямком, дослідженим деякими дослідниками.
Оцінки природного потоку водню за допомогою цих перших двох джерел - діагенезу та радіолізу - важливі, але все ще не дуже точні: вони залежать від авторів від декількох відсотків до 100% поточного споживання водню у світі (що близько 70%). Мт/рік). Тертя в площинах розломів та активність певних бактерій також виділяють водень, але, мабуть, у менших кількостях. Важливо зазначити, що у всіх цих випадках це потік водню, а не викопний ресурс.
У той же час збереження великих кількостей «первинного» Н2 (присутнього при ініціюванні Сонячної системи, в мантії, навіть у ядрі Землі під час формування Землі) - це також шлях, який досліджували деякі дослідники: у цьому випадку це був би викопний, але майже нескінченний ресурс. Для порівняння, загальний обсяг видобутої нафти з початку нафтової промисловості (≈ 240 км 3) еквівалентний обсягу гори Сент-Віктуар ... порівняно з обсягом земної мантії (≈ 920. 9 км 3)…
Де відбуваються ці реакції ?
Гірничі породи, що викидаються підводними вулканами в хребти середнього океану, зокрема олівін, окислюються при контакті з водою і виділяють водень. Для курців у середньоатлантичному хребті ці еманації вивчались протягом тривалого часу, зокрема для розуміння зовнішнього вигляду життя на Землі.
Десяток років тому деякі автори навіть зробили розрахунки з економіки відновлення цього водню в море і на великій глибині (3). Тоді на це ніхто не звертав уваги, оскільки умови - глибина води, відстань від берега - вважалися надто складними для економії в системі, незважаючи на великий потік водню.
Султанат Оман та Філіппіни - найбільш вивчені випадки, але викиди водню також були відзначені в Новій Каледонії або навіть у Піренеях.
Ця галузь, як і всі інші природні ресурси, може розпочинатись лише на суші. На щастя, цей тип вулкана спостерігається також там, де виникають серединно-океанічні брижі, які, можливо, утворюються як на рівні афарівської западини (Африканський ріг (4)) або піднімаються глибшими явищами (гаряча точка), як в Ісландії. Насправді на цьому острові фумароли центральної осі рифти містять водень; На даний момент на електростанціях використовуються лише калорії води, рідина, що передає тепло, але може бути інакше. Загалом, виробництво водню шляхом поверхневого поділу на додаток до геотермальної енергії було б можливим у багатьох районах. Цей шлях нам здається вивченим, враховуючи труднощі, що виникають при спробі здійснити багато економічних геотермальних проектів з високою температурою.
Ці океанічні кірки, які можуть окислюватися, також знаходяться на поверхні або поблизу поверхні в місцях накладання швів, де стиснення і складання зрізів утворюють гори. Султанат Оман та Філіппіни - найбільш вивчені випадки, але випари водню також були відзначені в Новій Каледонії або навіть у Піренеях. Часто цей водень негайно реагує з вуглекислим газом в атмосфері та випадає в осад до карбонату: природне та вражаюче захоплення та використання CO2 (CCU).
Інший геологічний контекст: протерозойські кратони (віком понад ½ мільярда років). Береговий водень спостерігався в Росії (в районі Москви), в США (Південна Кароліна, Канзас), але також і в багатьох інших місцях, що підтверджується резюме, опублікованому в 2020 році дослідником. Вячеслав Згоннік (5), який визначив сотні з них. Джерело може бути відносно подібним: окислення матеріалу, багатого залізом, і виділення Н2, ці поверхневі витоки систематично відбуваються в регіонах, де основа дуже стара і багата металами.
Приклад власного виробництва водню: Гідрома в Малі
У Малі при бурінні свердловини для отримання води (яка виявилася сухою) випадково виявився водень, який було випущено у виробництво компанією Petroma, тепер перейменованою в Hydroma (6). Її директор Аліу Діалло побачив можливість місцевої та безвуглецевої енергії в країні, яка її позбавлена. Самородний водень, який виходить із цієї свердловини, майже чистий (понад 96%). Його безпосередньо спалюють на місці в газовій турбіні для виробництва електроенергії для невеликого села.
Інші сусідні свердловини були пробурені Hydroma, щоб спробувати визначити запаси (у значенні нафти та газу) та збільшити масштаби, можливо, із створенням заводу з виробництва аміаку. Однак на цьому етапі не можна оголошувати резерв, оскільки всі свердловини ще не випробувані (7) .
Цей успіх зруйнував багато уявлень: початкова свердловина виробляється протягом 4 років без падіння тиску (4 бари), тоді як глибина резервуара становить лише 110 м. Вимірювання на поверхні водневих датчиків не виявляють витоків, що дозволяє зробити висновок, що існують, всупереч тому, що багато хто очікував (враховуючи розмір молекули Н2 та її здатність до хімічної рекомбінації), покривних порід, що дозволяють накопичення водню, який таким чином може залишатися в газовій фазі під нашими ногами.
У Франції компанія 45-8 Energy шукає водень і гелій, ці гази іноді зв’язуються в надрах.
Аліу Діалло та його команда зробили багато для того, щоб привернути увагу до цього басейну, тим більше, що водень там вироблятиметься значно менше, ніж долар за кілограм. Сукупність інших умов, крім геологічних, головним чином політичних та економічних, не дозволила науковому співтовариству взятись за цю тему.
Однак ці нові дані в контексті досліджень низьковуглецевої енергетичної суміші пожвавили інтерес до цієї теми, і з 2018 року з'являються різні проекти (як дослідницькі, так і розвідувальні) (8). Розвідувальна компанія, присвячена водню, NH2E (9), була створена в США і пробурила першу свердловину в Канзасі в кінці 2019 року. У Франції компанія 45-8 Energy (10) шукає водень і гелій, ці гази іноді пов'язані між собою (видобуток гелію - стратегічного газу і набагато дорожчого, ніж Н2 - видається пріоритетом, навіть якщо ринок гелію за обсягом є більш обмеженим).
Напрямки сучасних досліджень
Що сьогодні говорять нам поверхневі пари водню? На південному сході від Москви є (11) невеликі, досить круглі западини, добре помітні на аерофотознімках, які наукове співтовариство прийняло, називаючи "відьомними колами". Часто рослинність там гине, і ми бачимо за допомогою детекторів, що водень витікає не постійно і не постійно, але не мізерно. Подібні спостереження зроблені в США (12) у Бразилії, Канаді, Австралії та Намібії.
Щоб зробити висновки про можливість отримання цього водню, очевидно, необхідно знати потік, а не лише концентрацію. Дослідницькі групи Енгі розробили новий водневий датчик (13): витрата вимірюється щогодини, а дані направляються безпосередньо за допомогою супутника дослідникам. Понад сотня з цих датчиків були встановлені в басейні Сан-Франциско в Бразилії, де вже було зафіксовано значний відсоток водню під землею і де було видно відьомські кільця. Зараз вони працюють майже 2 роки, і перші опубліковані результати (14) підтверджують значний потік водню (але не постійний і не постійний на структурі) (15): порядку 7000 м 3/добу протягом 0,4 км 2 структура. Цей запис також показав, що потік систематично змінювався протягом доби (16). Це пояснює, чому в минулому деякі автори припускали, що кільця відьом були мертвими спорудами: потрібно просто піти не в той час, щоб знайти їх "сплячими" ...
Інші два важливі питання навколо природного водню - це спосіб його транспортування в надрах та умови його накопичення. Іншими словами, чи є гірські породи досить непроникними, щоб утворити кришку для резервуару для водню? Водень - це легкий газ, і на перший погляд він, швидше за все, вертикально мігрує у газоподібній формі. Нещодавня спільна робота Engie та IFP Énergies nouvelles дозволила поставити під сумнів це припущення: водень, дуже слабо розчинний у поверхневих водах, стає досить розчинним при підвищенні температури та особливо тиску (17). Отже, на глибині кількох кілометрів водень може рухатися у розчиненому вигляді у водоносних шарах і, таким чином, знаходитись далеко від джерела, а не просто над ним. Існують покривні гірські породи для водню (в Малі - долерит, вулканічна порода (18)), але немає жодних доказів того, що він може залишатися водонепроникним протягом мільйонів років, як нафтові родовища.
Щодо виробництва та розподілу природного водню, питання будуть такими ж, як і для "виробленого" водню: зберігання (зокрема, підземне), транспорт під тиском та розподіл будуть слідувати за тією ж логікою. Логіка відрізняється від логіки природного газу, оскільки зрідження, яке є ефективним для метану, і яке дозволяє транспортувати судном та світовий ринок СПГ, стає дорогим та неефективним для водню. Стиснення має екзотермічну дію, і вам доводиться знижувати температуру дуже низько: ви можете втратити більше половини енергії водню, зріджуючи його. Очікуємо, що економія малих водневих родовищ, наближених до споживача, буде найкращим способом. Більше того, поняття "малих родовищ" може виявитись відмінним від світу нафти та газу, оскільки перезарядка, як ми знаємо сьогодні, є постійною. Можливо, нам доведеться просто перевірити швидкість цього заряджання та адаптувати виробництво до нього.
Давайте зрозуміємо, ми не знаємо точно, скільки водню виробляється на Землі щодня в результаті реакцій, які я щойно підсумував, і ми не знаємо, скільки цього водню накопичується у водоймах, де його можна було б легко видобути. Можливо, ми ще навіть не виявили всіх реакцій, що виробляють водень (запаси нафти продовжують зростати після більш ніж ста років точного буріння, і ми не уявляли, що було основою або нафтовою системою протягом перших 50 років цього промисловість).
Дехто хотів би знати підтверджені запаси природного водню перед тим, як розпочати масштабні розвідки. Ніхто не намагався би визначити запаси нафти, дивлячись на поверхневі покази, знаючи, що вдається лише незначний відсоток. Наш світ двадцять першого століття просуває інновації, але стає дедалі неохотнішим перед ризиком. На щастя, наші предки не дочекалися розрахунку світових запасів заліза для вступу в залізний вік.
Дані, які ми маємо сьогодні про рівень витоків природного водню, зближуються до безперервного виробництва (протягом років) від 50 до 1900 кг/км 2/добу (для порівняння, резервуар наповнений Mirai з 5 кг водню ). Це виробництво було висвітлено, тепер необхідно визначити найбільш перспективні місця розташування і, залежно від контексту, або відокремити водень на поверхні від геотермальних рідин, або пробурити.
Паралельно з цим розвідуванням в деяких країнах, де він ще не потрапляє в жодну категорію для подання заявки на отримання дозволу на розвідку або видобуток, буде необхідна еволюція закону про видобуток корисних копалин для класифікації природного водню.