Природный водород: новый источник энергии?

Успешное освоение устойчивых георесурсов для энергетического перехода является ключевой задачей для человечества в XXI веке. Водород (H2) обладает большим потенциалом для замены ископаемого топлива и одновременного устранения связанных с ним выбросов CO2 и других загрязняющих веществ. Однако главным препятствием является то, что H2 сначала необходимо произвести. Современное производство синтетического водорода в лучшем случае основано на возобновляемых источниках энергии, но оно также может быть загрязняющим, если используется ископаемая энергия.

Решение можно найти в природе, поскольку различные геологические процессы могут генерировать водород. Однако до сих пор оставалось неясным, где следует искать потенциально крупномасштабные скопления природного H2.

Группа исследователей под руководством доктора Франка Цваана, ученого из секции геодинамического моделирования Центра геонаук имени Гельмгольца GFZ, дает ответ на этот вопрос: используя моделирование тектоники плит, они обнаружили, что горные хребты, в которых изначально глубинные породы мантии находятся вблизи поверхности, представляют собой потенциальные горячие точки природного водорода. Такие горные хребты могут быть не только идеальной геологической средой для крупномасштабной генерации природного H2, но и для формирования крупномасштабных скоплений H2, которые можно использовать для его производства. Результаты этого исследования опубликованы в журнале Science Advances. В состав группы также входят профессор Саша Брун и доктор Анне Глерум из секции геодинамического моделирования GFZ. Другие члены команды работают в Университете Тафтса (доктор Дилан Вэйси) и Технологическом университете Нью-Мексико (доктор Джон Налибофф) в США, а также в Страсбургском университете (профессор Джанрето Маначхал) и Lavoisier H2Geoconsult (доктор Эрик К. Гоше) во Франции.

Природный водород может образовываться несколькими способами, например, путем бактериальной трансформации органического материала или расщепления молекул воды, вызванного распадом радиоактивных элементов в континентальной коре Земли. В результате о наличии природного H2 сообщается во многих местах по всему миру. Общая пригодность природного водорода в качестве источника энергии уже доказана в Мали, где ограниченные объемы H2, образующегося из богатых железом осадочных слоев, добываются через скважины в недрах.

Однако наиболее перспективным механизмом крупномасштабной генерации природного водорода является геологический процесс, при котором породы мантии вступают в реакцию с водой. Минералы в мантийных породах изменяют свой состав и образуют новые минералы так называемой серпентиновой группы, а также газообразный H2. Этот процесс называется серпентинизацией. Мантийные породы обычно расположены на большой глубине, под земной корой. Для того чтобы эти породы вступили в контакт с водой и серпентинизировались, они должны быть тектонически эксгумированы, то есть подняты ближе к поверхности Земли. Существуют две основные тектонические среды плит, в которых мантийные породы эксгумируются и серпентинизируются в течение миллионов лет: (1) океанические бассейны, которые открываются по мере того, как континенты разрываются во время рифтинга, позволяя мантии подниматься, поскольку вышележащая континентальная кора истончается и в конечном итоге раскалывается (например, в Атлантическом океане), и (2) последующее закрытие бассейна и горообразование, когда континенты снова сближаются и сталкиваются, позволяя мантийным породам подниматься к поверхности (например, в Пиренеях и Альпах).

Тщательное понимание того, как развиваются такие тектонические среды, является ключом к правильной оценке их потенциала природного водорода. Используя современный подход к численному моделированию тектоники плит, откалиброванный с использованием данных из природных примеров, исследовательская группа под руководством GFZ смоделировала полную эволюцию тектоники плит от начального рифтинга до разлома континентов, за которым следовало закрытие бассейна и горообразование. В этих симуляциях исследователи впервые смогли определить, где, когда и в каком количестве мантийные породы эксгумируются в горах, и когда эти породы могут контактировать с водой при благоприятных температурах, чтобы обеспечить эффективную серпентинизацию и генерацию природного водорода.

Оказывается, что условия для серпентинизации и, следовательно, генерации природного H2 значительно лучше в горных хребтах, чем в рифтовых бассейнах. Из-за сравнительно более холодной среды в горных хребтах большие объемы эксгумированных мантийных пород находятся при благоприятных температурах серпентинизации 200-350°C, и в то же время обильная циркуляция воды вдоль крупных разломов в горах может позволить реализовать их потенциал серпентинизации. В результате годовая производительность водорода в горных хребтах может быть до 20 раз выше, чем в рифтовых средах. Кроме того, подходящие породы-коллекторы (например, песчаники), необходимые для накопления экономически выгодных объемов природного H2, легко доступны в горных хребтах, но, вероятно, отсутствуют во время серпентинизации и генерации водорода в более глубоких частях рифтовых бассейнов.

Результаты этого опубликованного исследования дают сильный импульс к активизации разведки природного H2 в горных хребтах. Фактически, различные разведочные работы уже ведутся в таких местах, как Пиренеи, Европейские Альпы и Балканы, где исследователи ранее обнаружили признаки продолжающейся генерации природного водорода.

Франк Цваан, ведущий автор исследования, отмечает, что решающее значение для успеха этих усилий будет иметь разработка новых концепций и стратегий разведки. Он считает, что особое значение имеет то, как формирование экономических скоплений природного H2 контролируется тектонической историей данного участка разведки. В частности, по его словам, необходимо определить время ключевых геологических процессов, потому что, если резервуары H2 должны формироваться во время горообразования, то до этого должен был быть рифтинг, то есть растяжение. Поэтому, как заявляет Цваан, выводы, полученные из моделирования тектоники плит, подобных тем, которые были выполнены в этом исследовании, будут иметь большое значение.

Саша Брун, руководитель секции геодинамического моделирования в GFZ, продолжает: «Это новое исследование расширяет наше понимание подходящих сред для генерации природного водорода. Учитывая экономические возможности, связанные с природным H2, сейчас самое время идти дальше, а также исследовать пути миграции водорода и глубокие, потребляющие водород микробные экосистемы, чтобы лучше понять, где на самом деле могут формироваться потенциальные резервуары H2».

Цваан добавляет, что в целом, мы, возможно, находимся на поворотном этапе в разведке природного H2. Таким образом, по его мнению, мы можем быть свидетелями зарождения новой отрасли природного водорода.