Naturalny wodór w transformacji energetycznej: podstawy, obietnice i zagadki / Rubén Blay-Roger, Wolfgang Bach, Luis F. Bobadilla, Tomas Ramirez Reina, José A. Odriozola, Ricardo Amils, Vincent Blay

1. Wodór w transformacji energetycznej

W miarę jak świat odchodzi od paliw kopalnych w kierunku bardziej zrównoważonej i niskoemisyjnej przyszłości, wodór staje się kluczowym graczem w miksie energetycznym. Wodór jest niezwykle wszechstronny, może zasilać transport, przemysł i budynki, a także może pomóc w redukcji emisji gazów cieplarnianych . Chociaż wodór jest wykorzystywany w procesach przemysłowych i ogniwach paliwowych od dziesięcioleci, jak pokazano na rys. 1A , ostatnie postępy technologiczne i rosnące zagrożenie zmianami klimatu zwiększyły zainteresowanie wodorem w celu dekarbonizacji systemu energetycznego [ 1 , 2 ].

1. Pobierz: Pobierz obraz w wysokiej rozdzielczości (819 KB)
2. Pobierz: Pobierz obraz w pełnym rozmiarze

Rys. 1. A ) Popyt i produkcja wodoru w latach 2021 i 2030 [ 2 , 3 ]. B) Ewolucja popytu na wodór od 1990 do 2030 r. [ 4 ]. Kolory szary, zielony i czerwony oznaczają odpowiednio szacunki przeszłe, bieżące i przyszłe. C) Ślad węglowy procesów produkcji H ₂ (2021) [ [5] , [6] , [7] , 8 ]. D) Prognozowany globalny koszt produkcji wodoru (2060) [ 9 ]. Należy zauważyć, że dane pochodzą od firmy posiadającej udziały w tym sektorze. E) Ewolucja kluczowych czynników kosztowych elektrolizy i reformingu paliw kopalnych [ [5] , [6] , [7] ].

Rys. 1 B przedstawia zapotrzebowanie na wodór od 1985 roku. Zapotrzebowanie w 2021 roku wyniosło 94 Mt (milionów ton metrycznych) i przewiduje się, że do 2030 roku podwoi się, osiągając 180 Mt [ 3 , 4 ]. Obecnie, aby zaspokoić zapotrzebowanie, produkuje sięokoło 75 Mtpy (milionów ton metrycznych rocznie) czystego wodoru i 45 Mtpy mieszanek wodoru, takich jak gaz syntezowy [ 2 , 3 ]. Rys. 1 A przedstawia różne źródła produkcji wodoru w 2021 roku, podkreślając, że większość produkcji wodoru pochodzi z reformingu paliw kopalnych, a tylko niewielka część pochodzi ze źródeł alternatywnych, takich jak elektroliza. Obecnie różnica w kosztach między tymi procesami jest przedstawiona na rys. 1 D, przy czym wodór produkowany z paliw kopalnych (szary wodór) kosztuje 1,2 dolara za kilogram w porównaniu do 4 dolarów za kilogram poprzez elektrolizę (zielony wodór) [ 10 , 11 ]. Z czasem jednak oczekuje się, że koszty związane z elektrolizerami spadną, energia słoneczna stanie się tańsza, a koszty surowców w procesie reformingu paliw kopalnych wzrosną ( rys. 1 E), co będzie sprzyjać elektrolizie. Poza kosztami, ślad węglowy związany z reformingiem paliw kopalnych, nawet przy użyciu technologii wychwytywania i wykorzystania dwutlenku węgla (CCU), jest znacznie wyższy niż w przypadku elektrolizy, co sprawia, że ​​elektroliza jest opcją bardziej przyjazną dla środowiska ( rys. 1 C) [ [5] , [6] , [7] ].

Ostatnio w tej dziedzinie pojawiło się trzecie podejście: naturalny wodór. Odnosi się ono do naturalnie występującego wodoru cząsteczkowego, który tworzy się i akumuluje na Ziemi. Przez dziesięciolecia pozostawało niezauważone, ponieważ zakładano, że będzie powstawać w zbyt małych ilościach lub będzie zbyt szybko dyfundować. Co więcej, metody analityczne stosowane w badaniach terenowych często nie były dostosowane do wykrywania tego gazu. Jednak obecnie zyskuje on na popularności wśród naukowców, przedsiębiorców i ekologów. Aktualne szacunki wskazują, że około 20 Mtpy naturalnego wodoru ucieka z powierzchni do atmosfery [ 12 ]. Większość tego wodoru wędruje do jonosfery i ostatecznie ucieka w przestrzeń kosmiczną [ [13] , [14] , [15] ]. Genezę naturalnego wodoru przypisuje się przede wszystkim procesowi geochemicznemu znanemu jako serpentynizacja (patrz sekcja 2 ). Przez długi czas uważano, że naturalne złoża wodoru nie mogą powstawać i do tej pory nie przeprowadzono żadnej eksploatacji wodoru geologicznego na dużą skalę. Jednakże pogląd ten uległ zmianie wraz z badaniami przeprowadzonymi w formacjach geologicznych, w których uwalnianie wodoru zachodzi w sposób ciągły [ 12 , [16] , [17] , [18] , [19] ]. Badania te potwierdziły obecność rozległych formacji geologicznych, w których wodór gromadził się przez czas. Co więcej, pionierska eksploatacja przeprowadzona przez Hydromę w Mali (Afryka Zachodnia) wykazała potencjał eksploatacji tego zasobu na skalę przemysłową. W związku z tym można zasadnie sądzić, że znaczne ilości już wyprodukowanego wodoru mogłyby zostać uwięzione na całym globie.

Oprócz naturalnego wodoru rozważane jest inne źródło wodoru produkowane z podłoży geologicznych: pomarańczowy wodór. Naturalny wodór (nazywany również złotym, białym lub rodzimym wodorem) to wodór produkowany głęboko w Ziemi, który zostaje uwięziony przez nieprzepuszczalne bariery na swojej drodze do atmosfery, podobnie jak ropa naftowa była przechowywana przez długi czas. Z drugiej strony, pomarańczowy wodór powstaje w wyniku antropogenicznej stymulacji tych samych procesów geochemicznych, które produkują naturalny wodór. Z ekonomicznego punktu widzenia, dostarczanie surowca (wody) odbywa się poprzez infiltrację lub przekierowanie wody z powierzchni lub zbiorników wodnych. Wymagana energia jest naturalnie dostarczana przez środowisko w postaci energii geotermalnej. Czynniki te są szczególnie ważne, ponieważ głównymi wyzwaniami ekonomicznymi dla obecnych procesów produkcji wodoru są dostawy surowców (w reformingu paliw kopalnych) i koszty energii (w elektrolizie). Chociaż potrzebnych jest więcej badań oceniających ślad węglowy naturalnego i pomarańczowego wodoru, ich ślad węglowy może być niższy niż w przypadku obecnych podejść ( rys. 1 C) [ 8 ].

Niniejszy dokument ma na celu przybliżenie tematu wodoru naturalnego i wodoru pomarańczowego szerokiemu gronu odbiorców. Rozdział 2 omawia temat powstawania wodoru głęboko w Ziemi, ze szczególnym uwzględnieniem jednej z głównych reakcji abiotycznych, znanej jako serpentynizacja. Dodatkowo, wspomniano o procesach biologicznych i ich potencjalnym wpływie na produkcję wodoru. Rozdział 3 przedstawia praktyczne podejście, analizując różne znane złoża, metody ich wykrywania i profilując podmioty przemysłowe w tej dziedzinie. W rozdziale 4 omówiono proces wydobywania, magazynowania i dystrybucji wodoru naturalnego, ze szczególnym uwzględnieniem wodoru pomarańczowego. Na koniec przedstawiono kilka perspektyw dotyczących przyszłości tej dziedziny.

2. Powstawanie wodoru w przyrodzie

Powstawanie naturalnego wodoru pokazano na rys. 2 i może obejmować wiele procesów, w tym procesy biologiczne (np. rozkład materii organicznej , procesy fermentacyjne) i procesy abiotyczne (np. radiolizę, bezpośrednią redukcję H2O), przy czym _{serpentynizacja} jest najważniejszym procesem abiotycznym [ 20 ]. Serpentynizacja zachodzi, gdy woda wchodzi w interakcję ze skałami ultramaficznymi [ 21 ], które są skałami o niskiej zawartości krzemionki , bogatymi w metale zredukowane. Składają się one głównie z minerałów żelaza i magnezu, przy czym _oliwin jest głównym składnikiem. Oliwin jest stałym roztworem fajalitu (Fe2SiO4 ₎ i forsterytu (MgSiO4 ₎. Mogą być również obecne inne składniki, takie jak piroksen.

1. Pobierz: Pobierz obraz w wysokiej rozdzielczości (738 KB)
2. Pobierz: Pobierz obraz w pełnym rozmiarze

Rys. 2. Różne hipotezy dotyczące pochodzenia naturalnych złóż wodoru [ 12 ]. Chociaż wydaje się, że powstawanie naturalnego wodoru ma przede wszystkim pochodzenie abiotyczne, rozważane są inne teorie dotyczące jego genezy. Zbadanie źródeł i mechanizmów jego powstawania jest kluczowe dla długoterminowej, zrównoważonej eksploatacji tego zasobu.

Skały ultramaficzne tworzą górny płaszcz Ziemi, którego górna część jest częścią litosfery. Leżą one pod skorupą bogatszą w krzemionkę i pękają pod wpływem naprężeń mechanicznych. Reakcje serpentynizacji zachodzą, gdy woda infiltruje płaszcz litosferyczny Ziemi wzdłuż tych pęknięć. Procesy te są powszechne wzdłuż granic płyt, takich jak grzbiety śródoceaniczne, uskoki transformacyjne i strefy subdukcji. Skały ultramaficzne są również powszechne w kompleksach ofiolitowych i pasach fałdowych, które reprezentują szwy między zderzającymi się płytami tektonicznymi. Gdy skały ultramaficzne wystawione na działanie wody ulegają serpentynizacji, jako produkt uboczny powstaje wodór [ 21 ].

Krytyczną właściwością skał ultramaficznych umożliwiającą znaczną produkcję H ₂ jest ich niska zawartość krzemionki, która powoduje powstawanie minerałów alteracyjnych, które w dużej mierze wykluczają Fe ²⁺ ze swojej struktury, takich jak serpentyn i brucyt. Umożliwia to utlenianie przez wodę i tworzenie H ₂ (reakcja Schikorra). W przeciwieństwie do tego skały bogate w krzemionkę, takie jak bazalty, mają tendencję do sekwestrowania większej proporcji Fe ²⁺ w minerałach alteracyjnych krzemianowych, takich jak chloryt i amfibol, które łatwo włączają Fe ²⁺ do swojej struktury zamiast przekształcać go w Fe ³⁺ . W rezultacie hydrotermalna alteracja bazaltu generuje znacznie mniejsze ilości H ₂ w porównaniu z serpentynizacją skał ultramaficznych, pomimo że bazalt ma wyższą zawartość Fe ²⁺ [ 26 ].

Szybkość serpentynizacji skały macierzystej jest kontrolowana głównie przez trzy zmienne: temperaturę, ciśnienie i stosunek wody do masy skały. Optymalny zakres temperatur dla procesu wynosi od 200 do 300 °C [ 27 ]. Badania eksperymentalne przy niskim ciśnieniu (≤500 bar) pokazują, że poniżej tego zakresu temperatur proces zachodzi z bardzo niską szybkością, podczas gdy w temperaturach wyższych niż 320–350 °C oliwin pozostaje stabilny [ 23 , 28 , 29 ]. Przy wyższym ciśnieniu (3–20 kbar) optymalna temperatura wzrasta, a szybkość serpentynizacji wzrasta nawet 4-krotnie [ 30 ]. Dostęp wody do skały, a zatem stosunek wody do masy skały, również krytycznie wpływa na szybkość serpentynizacji [ 21 ]. Woda znacząco wpływa na ruchliwość różnych związków metalicznych i zapewnia odpowiednie środowisko dla tych procesów chemicznych. Dodatkowe parametry, takie jak skład skały i zanieczyszczenia obecne w reagującej wodzie, również odgrywają ważną rolę w reakcji. Na przykład wykazano, że obecność glinu zwiększa szybkość serpentynizacji oliwinu w temperaturze 340 °C i ciśnieniu 2 kbar [ 31 ]. Niedawno Song i współpracownicy wskazali, że niewielkie ilości (<1%) niklu w skale macierzystej znacznie zwiększają szybkość reakcji serpentynizacji w niskich temperaturach (<100 °C) [ 32 ]. Skały ultramaficzne zawierające piroksen oprócz oliwinu mogą serpentynizować szybciej niż oliwin monomineralny: ostatnie eksperymenty z proszkiem oliwin-ortopiroksen (230 °C, 350 bar, stosunek masy wody do skały 2) osiągnęły 53% serpentynizacji w ciągu zaledwie 1 roku reakcji [ 22 ].

Oprócz serpentynizacji wodór może być również produkowany pod powierzchnią przez inne procesy abiotyczne i metabolizm drobnoustrojów [ 33 ]. Wiele mikroorganizmów produkuje H2 poprzez fermentację i reakcje wiązania azotu w swoim metabolizmie ( rys. 2 ), które są wykorzystywane do projektowania bioreaktorów produkujących wodór [ 34 , 35 ]. Tego typu aktywności drobnoustrojów występują również pod powierzchnią [ 33 , 36 ]. Wiele zidentyfikowanych mikroorganizmów może uzyskać energię jedynie poprzez fermentację i odgrywają ważną rolę w cyklach biogeochemicznych głęboko pod powierzchnią [ 33 , 37 ]. Niestety, znaczenie aktywności biologicznej w naturalnej produkcji H2 _pod powierzchnią nie jest dobrze poznane. Ostatnio wykazano, że znaczna część H2 _wykrytego pod powierzchnią pasa pirytu iberyjskiego jest produkowana biologicznie [ 38 ]. Co ważne, wodór może być również wykorzystywany jako źródło energii przez inne mikroorganizmy w ekosystemie podziemnym. Konieczne są badania innych substratów mineralnych i lokalizacji, aby ocenić stopień biologicznego wkładu w naturalne powstawanie _{H2 .}

3. Naturalne gorące punkty wodoru

Oszacowanie ilości naturalnie występującego wodoru, który można wydobyć lub stymulować na podstawie obecnych danych, jest trudne, chociaż można wyznaczyć górne i dolne granice. Jako górną granicę szacunku możemy przyjąć, że średnio perydotyt może dostarczyć około 2–4 kg H ₂ na metr sześcienny po utlenieniu. Przy szacowanym 10 ^{12 Mt}  perydotów górnej skorupie ziemskiej (górne 7 km), teoretycznie z podpowierzchni można by wytworzyć łącznie 10 ⁸  Mt wodoru [ 39 ]. Aby to ująć w perspektywie, taka ilość zapewniłaby dostawę 1000 Mtpy H ₂ na 100 000 lat [ 40 ]. Jako dolną granicę szacunku Smith i współpracownicy oszacowali potencjalną produkcję wodoru z ofiolitu Samail w Omanie [ 41 ]. Przy całkowitej objętości skał ultramaficznych wynoszącej około 125 000 km3 ^, z których tylko 50% jest serpentynizowane, mogłoby to zapewnić około 260 Mt wodoru, przekraczając obecne światowe zapotrzebowanie na jeden rok [ 4 ]. Oczywiście te szacunki odnoszące ilość skał do produkcji wodoru są bardzo przybliżone. Jednak ilustrują one ukryty potencjał, jaki może mieć naturalny wodór. Z innej perspektywy, łącząc dane z różnych badań [ 2 , 12 , [42] , [43] , [44] , [45] ] oszacowano, że naturalny wodór powstający na Ziemi może stanowić około 85% obecnej produkcji wytworzonej przez człowieka [ 12 ]. Szacunek ten jest również obarczony dużą niepewnością i nie uwzględnia wodoru już powstałego i zmagazynowanego pod ziemią ani potencjału stymulowanej produkcji H2 _. Ważne jest również zauważenie, że aktywność tektoniczna stale odświeża skały, a każdego roku produkuje się około 1000 Mt perydotytów [ 39 ]. Dlatego też wartości te mogą również niedoszacowywać rzeczywistego potencjału naturalnych zasobów wodoru.

Chociaż eksploatacja naturalnego wodoru jest w powijakach, liczba odwiertów, potencjalnych odkrytych złóż i zaangażowanych firm szybko rośnie, jak widać na rys. 4 , gdzie przedstawiono szczegółowe informacje o lokalizacjach i niektórych powstających firmach [ 12 ]. Podczas gdy liczne projekty badawcze na całym świecie badają naturalne zasoby wodoru, szczegółowe informacje o ilościach, kosztach i konkretnych lokalizacjach są często utrzymywane w tajemnicy. Chociaż wiele konkretnych interesujących lokalizacji jest utrzymywanych w tajemnicy, znanych jest kilka ogólnych obszarów o zwiększonym prawdopodobieństwie powstawania wodoru. W szczególności podwodne strefy subdukcji, gdzie zaopatrzenie w wodę jest stałe, a ekspozycja na żelazo częsta ze względu na ruchy płyt, są powiązane z naturalną produkcją wodoru [ 46 ]. Skamieniałe oceaniczne centra rozprzestrzeniania (ofiolity) i strefy szwów, reprezentujące całkowitą subdukcję basenu oceanicznego, w którym zderzyły się kontynenty, są również obiecującymi celami poszukiwań wodoru [ 47 , 48 ]. Na lądzie wycieki wodoru można często zidentyfikować dzięki tworzeniu się struktur kołowych zwanych „kręgami wróżek”, które mogą stanowić punkty zainteresowania w eksploracji naturalnego wodoru ( ryc. 4 ) [ 16 , 49 ].

1. Pobierz: Pobierz obraz w wysokiej rozdzielczości (2 MB)
2. Pobierz: Pobierz obraz w pełnym rozmiarze

Rys. 4. Szczegóły znanych naturalnych złóż wodoru i kręgów wróżek. Kręgi wróżek można znaleźć w regionach na całym świecie o zróżnicowanej średnicy, lokalizacji i gęstości. Chociaż dokładny mechanizm ich powstawania pozostaje zagadką, często stanowią one dobre wskaźniki w poszukiwaniach naturalnego wodoru [ 16 ]. Zdjęcia reprodukowane za zgodą [ 17 , 50 ].

Jednym z pierwszych zbadanych kręgów wróżek jest Bourakébougou (Mali), który od 2011 roku umożliwia nieprzerwane dostawy energii wodorowej do miasta. Ten naturalny zbiornik ma średnicę ponad 8 km. Prinzhofer i jego współpracownicy zbadali ten zbiornik, potwierdzając obecność do pięciu ułożonych warstw wodoru o wysokiej czystości na starym podłożu kratonicznym składającym się głównie z piroksenu i zaproponowali, że jego przemysłowa eksploatacja może być tańsza niż koszt syntetycznego wodoru [ 19 ]. W innym kręgu wróżek o średnicy 500 m w Brazylii oszacowano przepływy gazu do 178 000 m3   na dobę [ 17 ]. Wykryto również różnice w uwalnianiu H2 _w ciągu dnia i nocy, co prowadzi do wniosku, że istnieje mechanizm nasycenia H2 _w kręgu wróżek, który osiąga maksymalną szybkość desorpcji w ciągu dnia [ 17 ]. Potwierdzenie obecności złóż odpowiedzialnych za uwalnianie tego gazu za pomocą technik sejsmicznych może zwiększyć zainteresowanie eksploatacją tego miejsca. W Chimerze (Turcja) nieprzerwane przepływy wodoru wykrywano od ponad 2000 lat [ 51 ]. W Aragonii (Hiszpania) potwierdzono obecność znacznego złoża naturalnego wodoru pod pasmem górskim Pirenejów [ 52 ]. Lefeuvre i współpracownicy badali siatkę 10 × 10 km, pobierając i analizując ponad 1000 próbek in situ w celu zidentyfikowania różnych gorących punktów wodoru w regionie. Ponadto zidentyfikowali formację solną, która umożliwiłaby akumulację tego naturalnego wodoru. Założono firmę Helios Aragon w celu eksploatacji tego złoża, dążąc do rocznej ekstrakcji od 5,5·10 ⁴ do 7·10 ⁴ ton metrycznych czystego wodoru rocznie, porównywalnej z produkcją z obecnej instalacji reformingu parowego metanu [ 11 , 53 ]. Firma przewiduje również niższy koszt produkcji naturalnego wodoru _w porównaniu z innymi technologiami. W Australii od 2021 r. wydano ponad 40 koncesji na eksplorację naturalnych złóż wodoru [ 54 ]. Jedna z tych firm, Gold Hydrogen, potwierdziła złoże w południowej Australii o szacowanej ilości wodoru możliwego do wydobycia wynoszącej od 1,3 do 8,8 Mt [ 55 ].

Początkowa lokalizacja naturalnych złóż wodoru może być trudna. Główną techniką wykorzystywaną w tym celu jest prospekcja sejsmiczna, która polega na oddziaływaniu fal sejsmicznych na ziemię i pomiarze ich odbicia [ 56 ]. Czas upływający między emisją fali sejsmicznej a jej odbiorem przez detektor, wliczając odbicia, zapewnia wewnętrzny widok kilku kilometrów sześciennych pod ziemią. Generowanie tych fal odbywa się zazwyczaj za pomocą wibratorów elektrycznych, które zapewniają większe bezpieczeństwo niż tradycyjne materiały wybuchowe. Niemniej jednak techniki sejsmiczne często cierpią z powodu wewnętrznego szumu wytwarzanego przez aparaturę pomiarową, co prowadzi do wydłużonych okresów analizy mających na celu wydobycie wiarygodnych informacji poprzez redukcję szumu [ 57 ]. Ponadto interpretacja i przetwarzanie tych metod są skomplikowane, wymagając głębokiego opanowania techniki w celu wydobycia znaczących spostrzeżeń. Firmy takie jak Xcalibur Multiphysics wdrażają również techniki poszukiwawcze w samolotach zdolnych do przelotu nad trudno dostępnymi miejscami.

Chociaż techniki sejsmiczne mogą dostarczyć informacji o wymiarach złoża gazu, jego dokładny skład musi zostać potwierdzony poprzez poszukiwania i analizę chromatograficzną [ 58 ]. Analizę chromatograficzną należy przeprowadzać z użyciem gazu nośnego, który umożliwia wykrycie wodoru, takiego jak He. Historycznie jednak analizę chromatograficzną gazów podziemnych często przeprowadzano z użyciem H2 _jako gazu nośnego, co mogło przyczynić się do niewykrycia naturalnych złóż wodoru [ 12 ].

Oszacowanie ilości wodoru zawartego w złożu wymaga połączenia danych sejsmicznych z wynikami poszukiwań w różnych odległościach i na różnych głębokościach od punktu początkowej analizy. Pozwala to na triangulację położenia i głębokości złoża. Dodatkowe czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy eksploatacji naturalnego złoża wodoru, to jego lokalizacja, wielkość, praktyczność techniczna, bezpieczeństwo, skład, ciśnienie oraz tempo, w jakim złoże może się naturalnie uzupełniać. Monitorowanie zmian ciśnienia podczas wydobywania gazu dostarcza również kluczowych informacji na temat wielkości i trwałości złoża.

4. Eksploatacja wodoru geologicznego

Ekstrakcję naturalnego wodoru można przeprowadzić, dostosowując technologię obecnie stosowaną do ekstrakcji gazu ziemnego [ 59 ]. Krótko mówiąc, po potwierdzeniu potencjalnego złoża technikami sejsmicznymi, do penetracji warstw skalnych używa się wiertnicy, a do ułatwienia wiercenia stosuje się rury. Ciągła cyrkulacja płuczki wiertniczej pomaga kontrolować temperaturę i ciśnienie przez cały proces wiercenia. Podczas tego procesu mogą wystąpić różne problemy, takie jak utrata recyrkulowanej płuczki wiertniczej poprzez infiltrację w skałę, zanieczyszczenie płuczką wiertniczą lub zatkanie rur. Problemy te można zminimalizować, wybierając odpowiednią ścieżkę wiercenia i okresowo sprawdzając jakość recyrkulowanej płuczki wiertniczej podczas wiercenia. Po dotarciu do złoża gazu rury są wykładane gęstym betonem, aby zminimalizować migrację gazu i zapewnić integralność strukturalną [ 55 ]. Szczególnie ważne jest zapewnienie integralności strukturalnej instalacji poprzez przestrzeganie czasu schnięcia betonu i ostrożną obsługę ze względu na reaktywny i dyfuzyjny charakter H2 _. Wyciek AH2 _na małych głębokościach może być niebezpieczny ze względu na możliwość tworzenia łatwopalnych i wybuchowych mieszanin z _O2 . Do kontrolowania wydobycia i utrzymywania ciśnienia w złożu stosuje się zawory wysokociśnieniowe. Po ułożeniu rur wydobycie wodoru staje się stosunkowo proste [ 59 ]. Wydobycie odbywa się za pomocą rurociągów zainstalowanych w perforowanej skale, wykorzystując ciśnienie sprężonego wodoru (zwykle >500 barów) do napełniania zbiorników w celu dystrybucji na małą skalę.

Oprócz naturalnego wodoru, produkcja pomarańczowego wodoru ma również potencjał. Jednak obecnie nie ma firm dedykowanych temu wzmocnionemu lub stymulowanemu wydobyciu wodoru, co utrudnia podanie szczegółów. Aby wyprodukować pomarańczowy wodór, potrzebna byłaby odpowiednia formacja skalna o optymalnej temperaturze reakcji, która mogłaby być dostępna dla istniejącej technologii górniczej. Biorąc pod uwagę gradient geotermalny wynoszący około 30 °C/km, formację o odpowiedniej temperaturze dla procesu wynoszącej 200–300 °C można by potencjalnie znaleźć na głębokościach od 5 do 10 km [ 60 , 61 ]. W tym zakresie głębokości ciśnienie litostatyczne wynosiłoby około 2000 barów (przy założeniu typowej gęstości formacji 2750 kg/m3 ⁾ . Wiercenia osiągnęły głębokości do 12 km, więc odpowiednia formacja mogłaby być dostępna dla obecnej technologii [ 62 ]. Oprócz znalezienia odpowiedniej formacji, konieczne byłoby napotkanie nieprzepuszczalnej warstwy skalnej (np. halitu) na mniejszych głębokościach [ 63 ]. Ta warstwa zapobiegałaby dyfuzji wodoru w kierunku powierzchni. Po dotarciu do formacji skalnej, woda w celu stymulacji procesu musiałaby być pompowana pod bardzo wysokim ciśnieniem. Chociaż pompowanie wody na dużą głębokość i pod dużym ciśnieniem nie jest pozbawione wyzwań, w ostatnich latach zdobyto wiele doświadczeń dzięki powszechnemu stosowaniu technologii szczelinowania, która może okazać się bardzo użyteczna w stymulacji H2 _. Po wyprodukowaniu i zgromadzeniu pomarańczowego wodoru możliwe będzie zastosowanie technologii ekstrakcji podobnej do tej stosowanej w przypadku wodoru naturalnego. Podejście do produkcji pomarańczowego wodoru można zaobserwować na rys. 3. Główna różnica w stosunku do wodoru naturalnego polega na pompowaniu wody ze zbiornika do reaktywnego podłoża skalnego.

Wodór charakteryzuje się wysoką dyfuzyjnością cząsteczkową , co sprawia, że ​​przechowywanie syntetycznego wodoru na dużą skalę stanowi poważne wyzwanie [ 64 ]. Zbiorniki kriogeniczne i rurociągi są wykorzystywane do dystrybucji na małą skalę i natychmiastowego zużycia. Alternatywnie, podziemne struktury geologiczne, takie jak kawerny solne, są badane jako obiekty do przechowywania wodoru na dużą skalę [ 65 ]. Są to jamy utworzone przez rozpuszczanie złóż soli w grubych pokładach soli lub kopułach głęboko pod ziemią [ 66 ]. Mogą one zapewnić bezpieczne i odizolowane środowiska przechowywania, ponieważ ściany solne działają jak naturalne bariery przed wyciekami [ 67 ]. Ponadto plastyczność soli umożliwia kawernom wytrzymywanie wysokich ciśnień bez zapadania się, tworząc idealne środowisko do przechowywania wodoru [ 63 ]. Trwają prace nad znalezieniem odpowiednich naturalnych złóż soli, a kraje takie jak Polska zaczynają rozwijać przemysł wokół tej koncepcji [ 68 ]. Ogólnie rzecz biorąc, przechowywanie wodoru na dużą skalę jest przedmiotem znacznego zainteresowania przemysłu. Ponieważ naturalny wodór jest naturalnie magazynowany w pułapkach geologicznych, odkrycie naturalnych złóż wodoru mogłoby nie tylko ujawnić wartość samego wodoru, ale także wartość samego złoża.

Jedną z wad naturalnego wodoru może być jego czystość. Chociaż znaleziono złoża o bardzo wysokiej czystości, często występują w nich zanieczyszczenia [ 17 , 69 ], w tym gazy takie jak azot, metan lub niereagujący CO2 _, a także wilgoć. Czystość naturalnego wodoru w dużej mierze zależy od jakości wody, która dotarła do reaktywnej skały. Woda często zawiera cząstki, węglany i CO2 _, które mogą wytwarzać zanieczyszczenia organiczne poprzez mechanizmy Fischera-Tropscha, ponieważ ciśnienie, temperatura i skład skały sprzyjają takim reakcjom [ 27 , [70] , [71] , [72] ]. Dlatego przetwarzanie tego gazu może wymagać użycia środków osuszających (już stosowanych we wszystkich wodorach przechowywanych w jaskiniach ze względu na podobne zanieczyszczenia) i separacji lekkich gazów za pomocą membran, kriogenicznej destylacji lub adsorpcji zmiennociśnieniowej [ [73] , [74] , [75] ]. Chociaż koszty separacji mogłyby gwałtownie zwiększyć koszty produkcji naturalnego wodoru w niektórych lokalizacjach, niektóre zanieczyszczenia (np. CH4 ₎ również mogłyby mieć wartość rynkową. W przypadku wodoru pomarańczowego, czystość można by kontrolować poprzez wstrzykiwanie wody o kontrolowanym składzie (jak w elektrolizie), aby zminimalizować potencjalne zanieczyszczenia i późniejsze oczyszczanie. Wymagania dotyczące czystości zależą jednak od zastosowania. Na przykład, jeśli celem jest spalanie w celu produkcji energii, zanieczyszczenia organiczne wraz z wilgocią stanowiłyby mniejszy problem [ 76 ].

Naturalny wodór może być transportowany w różnych formach, a najbardziej opłacalna opcja transportu będzie zależeć od czynników takich jak odległość, skala i zamierzone zastosowanie [ 77 ]. W przypadku transportu dużych ilości na duże odległości, rurociągi stają się najbardziej opłacalne [ 78 ]. Małe ilości, takie jak te potrzebne na stacjach paliw, są zazwyczaj bardziej efektywnie transportowane ciężarówkami. Skraplanie wodoru zapewnia wyższą gęstość energii w porównaniu ze sprężonym wodorem, ale wiąże się z wyższymi kosztami produkcji. Wodorki metali są inną opcją lokalnego przechowywania mniejszych ilości, takich jak te wymagane w lekkich pojazdach. Jednak ich główną wadą jest koszt produkcji odpowiednich stopów metali i ich zwiększona waga [ 79 , 80 ]. Przechowywanie amoniaku zapewnia jeszcze wyższą gęstość energii niż ciekły wodór i może być przechowywane pod niskim ciśnieniem (1 bar) [ 81 , 82 ]. Wadą jest jednak to, że uwalnianie wodoru z amoniaku przez dehydrogenację wymaga znacznej ilości energii. Uwodornienie i dehydrogenacja ciekłych organicznych nośników wodoru (LOHC) są mniej energochłonne w porównaniu z amoniakiem, ale ilość wodoru, którą można wyekstrahować, jest mniejsza [ 83 , 84 ]. Rozważania te podkreślają, że najbardziej opłacalna strategia zależy od konkretnego zastosowania i kontekstu.

Ogólnie rzecz biorąc, naturalny wodór oferuje znaczny potencjał, aby pomóc w dekarbonizacji wielu sektorów, w tym przemysłów takich jak rafinerie, zakłady produkcji metanolu i zakłady produkcji amoniaku. Ponadto sektor transportu jest gotowy na ekspansję poprzez rozwój nowych e-paliw i przyjęcie amoniaku jako paliw alternatywnych. Lokalna produkcja energii z wykorzystaniem wodoru stanowi atrakcyjną opcję, a trwające badania nad mieszaniem gazu ziemnego i wodoru do celów grzewczych wykazują ich zgodność z istniejącą infrastrukturą [ 85 ]. Rzeczywiście, kraje takie jak Wielka Brytania już przyjmują jakąś formę strategii mieszania wodoru/gazu ziemnego w swoich krajowych systemach ogrzewania gazowego [ 86 ]. W przypadku zastosowań przemysłowych wymagających wysokich temperatur, takich jak krakery parowe i piece cementowe, wodór jawi się również jako obiecujący substytut paliw kopalnych [ 87 ]. Integracja naturalnego wodoru w różnych sektorach może zatem przyspieszyć przejście na bardziej zrównoważoną i niskoemisyjną gospodarkę.

5. Kolejne kroki dla wodoru geologicznego

Przemysłowe wykorzystanie wodoru naturalnego jest wciąż na wczesnym etapie, ale ma on potencjał, by stać się znaczącym źródłem wodoru. Pionierskie firmy w dziedzinie wykorzystania wodoru naturalnego dostarczają dowodów na słuszność tej koncepcji. Dzięki stosunkowo niskim kosztom produkcji i śladowi węglowemu, wodór naturalny jest niezwykle obiecujący we wspieraniu społeczeństwa w procesie transformacji energetycznej. Konieczne jest jednak zintensyfikowanie badań w celu oceny potencjału tego zasobu.

Na tym etapie autorzy przewidują dwa równoległe kierunki prac nad wodorem naturalnym i pomarańczowym. W odniesieniu do wodoru naturalnego, dalsze poszukiwania kolejnych złóż i przeprowadzanie dogłębnych analiz już odkrytych złóż, w tym badań techniczno-ekonomicznych i oceny cyklu życia, zapewni pełniejsze zrozumienie tego zasobu. W tym celu kluczowe będzie wsparcie biurokratyczne i polityczne, ułatwiające zarówno poszukiwania, jak i badania. W przeciwnym razie postęp może być bardzo powolny i uciążliwy poza skalą laboratoryjną. Kraje takie jak Australia, gdzie przepisy wspierają poszukiwania i wydobycie, doświadczają powstawania nowego sektora gospodarki wokół wodoru naturalnego.

Oprócz produkcji abiotycznej, znaczenie naturalnej mikrobiologicznej produkcji _H2 w głębokich warstwach podziemnych jest obecnie nieznane [ 38 ]. Aktywne mikroorganizmy produkujące _H2 wyizolowane z podłoża są obecnie badane w celu oceny ich potencjału biotechnologicznego [ 88 , 37 ]. Interesująca byłaby również ocena ich naturalnej aktywności podziemnej in situ lub możliwości wprowadzenia ich w podziemnych lokalizacjach z odpowiednimi podłożami geologicznymi lub wcześniej zidentyfikowaną materią organiczną. Odpowiednia charakterystyka fenotypowa i genotypowa może nas nauczyć o ich optymalnych warunkach działania i czy dodanie wymaganych składników odżywczych może stymulować ich naturalną aktywność H2 pod powierzchnią. Identyfikacja podziemnej produkcji H2 _przez mikroorganizmy wydaje się wykonalna w średnim okresie, ale ilościowa ocena ich wydajności będzie wymagała znacznej inwestycji i powinna być traktowana jako przedsięwzięcie długoterminowe.

Badania nad naturalną i stymulowaną regeneracją złoża reaktywnego powinny być również przeprowadzone, aby zapewnić zrównoważoną, długoterminową eksploatację geologicznego wodoru. Na przykład wykorzystanie mikroorganizmów, które wykorzystują Fe3 ⁺ jako swój ostateczny akceptor elektronów w metabolizmie, mogłoby być interesującym kierunkiem badań w celu przyspieszenia regeneracji skał poprzez uzupełnianie Fe2 ⁺ (np. adaptacja procesu Feammox) tam, gdzie dostępne są inne składniki odżywcze [ [89] , [90] , [91] , [92] , [93] ]. Ponadto włączenie różnych cząsteczek do pompowanej wody w celu sprzężenia różnych reakcji z serpentynizacją mogłoby być interesujące. Na przykład włączenie rozpuszczonego CO2 _do wody w celu utworzenia stałych węglanów podczas procesu serpentynizacji mogłoby umożliwić wychwytywanie CO2 _podczas produkcji H2 _. Po stronie pomarańczowego wodoru jest jeszcze więcej wyzwań i niewiadomych do zbadania, zanim będzie można go wykorzystać na skalę przemysłową. W tym przypadku badanie reakcji serpentynizacji w laboratoriach mogłoby dostarczyć niezbędnej wiedzy. W rozdziale 2 podkreślono wyzwanie, jakim jest kontrolowanie tej reakcji, której skuteczność w badaniach laboratoryjnych była ograniczona.

Naszym zdaniem, dostępne obecnie dane dostarczają przekonujących dowodów na dostępność bardzo potrzebnego alternatywnego źródła energii w miarę odchodzenia społeczeństwa od zasobów kopalnych . Konieczne są jednak dogłębne badania, aby określić trwałość naturalnych zasobów wodoru. Jak wynika z doświadczeń z eksploatacji paliw kopalnych, wszystkie złoża są ograniczone. Dlatego też, rozpoczynając bezpieczną, wydajną i sprawiedliwą eksploatację naturalnych zasobów wodoru, powinniśmy również inwestować w badania naukowe w stymulację i rozwiązania biotechnologiczne, które mogłyby dodatkowo poprawić dostępność i zrównoważony rozwój zasobów geologicznych.