Принято считать, что самый распространенный элемент во Вселенной, водород, существует в основном вместе с другими элементами — например, с кислородом в воде и с углеродом в метане. Но естественные подземные карманы чистого водорода пробивают дыры в этом представлении и привлекают внимание как потенциально неограниченный источник безуглеродной энергии.
Одной из заинтересованных сторон является Министерство энергетики США, которое в прошлом месяце выделило исследовательские гранты на сумму 20 миллионов долларов 18 командам из лабораторий, университетов и частных компаний для разработки технологий, которые могут привести к получению дешевого и чистого топлива из недр.
Геологический водород, как известно, образуется, когда вода вступает в реакцию с горными породами, богатыми железом, вызывая окисление железа. Один из получателей гранта, исследовательская группа доцента Массачусетского технологического института Ивенетима Абата, будет использовать свой грант в размере 1,3 миллиона долларов для определения идеальных условий для производства водорода под землей, принимая во внимание такие факторы, как катализаторы для инициирования химической реакции, температура, давление и уровни pH. Цель состоит в том, чтобы повысить эффективность крупномасштабного производства, удовлетворяя глобальные энергетические потребности по конкурентоспособной цене.
По оценкам Геологической службы США, в земной коре потенциально скрыты миллиарды тонн геологического водорода. Накопления были обнаружены по всему миру, и множество стартапов ищут извлекаемые месторождения. Абате стремится дать толчок процессу производства природного водорода, внедряя «превентивные» подходы, которые включают стимулирование производства и сбор газа.
«Мы стремимся оптимизировать параметры реакции, чтобы ускорить реакцию и производить водород экономически целесообразным способом», — говорит Абате, профессор развития Чипмана на факультете материаловедения и инженерии (DMSE). Исследовательские центры Абата сосредоточены на разработке материалов и технологий для перехода к возобновляемым источникам энергии, включая батареи нового поколения и новые химические методы хранения энергии.
Искрящиеся инновации
Интерес к геологическому водороду растет в то время, когда правительства во всем мире ищут безуглеродные альтернативы нефти и газу. В декабре президент Франции Эммануэль Макрон заявил, что его правительство предоставит финансирование для исследования природного водорода. А в феврале свидетели из правительства и частного сектора проинформировали американских законодателей о возможностях добычи водорода из земли.
Сегодня коммерческий водород производится по цене 2 доллара за килограмм, в основном для производства удобрений, химической продукции и стали, но большинство методов включают сжигание ископаемого топлива, в результате которого выделяется углерод, нагревающий Землю. «Зеленый водород», производимый с использованием возобновляемых источников энергии, является многообещающим, но при цене в 7 долларов за килограмм он стоит дорого.
«Если вы получаете водород по доллару за килограмм, он конкурентоспособен с природным газом по цене на энергоносители», — говорит Дуглас Уикс, директор программы Агентства перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E), ведущей организации Министерства энергетики. программа грантов на геологический водород.
Среди получателей грантов ARPA-E — Горная школа Колорадо, Техасский технологический университет и Национальная лаборатория Лос-Аламоса, а также частные компании, в том числе «Колома», стартап по производству водорода, получивший финансирование от Amazon и Билла Гейтса. Сами проекты разнообразны: от применения промышленных нефтегазовых методов добычи и извлечения водорода до разработки моделей, позволяющих понять образование водорода в горных породах. Цель: ответить на вопросы в том, что Уикс называет «полным белым пространством».
«Что касается геологического водорода, мы не знаем, как мы можем ускорить его производство, потому что это химическая реакция, и мы не понимаем, как спроектировать недра так, чтобы мы могли безопасно добывать его», — говорит Уикс. «Мы пытаемся привлечь лучшие навыки каждой из различных групп для работы над этим, полагая, что ансамбль должен быть в состоянии дать нам хорошие ответы в довольно короткие сроки».
Геохимик Вячеслав Згонник, один из ведущих экспертов в области природного водорода, согласен, что список неизвестных длинный, как и путь к первым коммерческим проектам. Но он говорит, что усилия по стимулированию производства водорода — использованию естественной реакции между водой и породой — представляют «огромный потенциал».
«Идея состоит в том, чтобы найти способы ускорить эту реакцию и контролировать ее, чтобы мы могли производить водород по требованию в определенных местах», — говорит Згонник, генеральный директор и основатель Natural Hydrogen Energy, стартапа из Денвера, который арендует полезные ископаемые для разведочного бурения. В Соединенных Штатах. «Если мы сможем достичь этой цели, это означает, что мы потенциально сможем заменить ископаемое топливо стимулированным водородом».
«Момент полного круга»
Для Абате связь с проектом носит личный характер. Когда он был ребенком, в его родном городе в Эфиопии отключения электроэнергии были обычным явлением — свет не работал три, а может, и четыре дня в неделю. Мерцающие свечи или керосиновые лампы, выделяющие загрязняющие вещества, часто были единственным источником света для выполнения домашних заданий в ночное время.
«А в домашнем хозяйстве нам приходилось использовать дрова и древесный уголь для таких дел, как приготовление пищи», — говорит Абате. «Такова была моя история вплоть до окончания средней школы и до того, как я приехал в США учиться в колледже».
В 1987 году землекопы, бурившие колодцы в поисках воды в Мали в Западной Африке, обнаружили природное месторождение водорода, что вызвало взрыв. Десятилетия спустя малийский предприниматель Алиу Диалло и его канадская нефтегазовая компания вскрыли скважину и использовали двигатель для сжигания водорода и выработки электроэнергии в соседней деревне.
Отказавшись от нефти и газа, Диалло запустил Hydroma, первое в мире предприятие по разведке водорода. Компания бурит скважины вблизи первоначального участка, в которых обнаружены высокие концентрации газа.
«Итак, то, что раньше называлось энергетически бедным континентом, теперь дает надежду на будущее мира», — говорит Абате. «Узнать об этом было для меня моментом полного цикла. Конечно, проблема глобальна; решение глобальное. Но затем связь с моим личным путешествием, а также решение, пришедшее с моего родного континента, делают меня лично связанным с проблемой и решением».
Масштабируемые эксперименты
Абате и исследователи из его лаборатории разрабатывают рецепт жидкости, которая вызовет химическую реакцию, вызывающую выработку водорода в горных породах. Основным ингредиентом является вода, и команда тестирует «простые» материалы для катализаторов, которые ускорят реакцию и, в свою очередь, увеличат количество вырабатываемого водорода, говорит постдок Ифань Гао.
«Некоторые катализаторы очень дороги и сложны в производстве, требуют сложного производства или подготовки», — говорит Гао. «Недорогой и доступный катализатор позволит нам повысить производительность — таким образом, мы будем производить его с экономически обоснованной скоростью, но также и с экономически целесообразным выходом».
Богатые железом породы, в которых происходит химическая реакция, можно найти в Соединенных Штатах и во всем мире. Чтобы оптимизировать реакцию в различных геологических составах и средах, Абате и Гао разрабатывают то, что они называют высокопроизводительной системой, состоящей из программного обеспечения искусственного интеллекта и робототехники, для тестирования различных смесей катализаторов и моделирования того, что произойдет при их применении к горным породам из различные регионы с разными внешними условиями, такими как температура и давление.
«И исходя из этого мы измеряем, сколько водорода мы производим для каждой возможной комбинации», — говорит Абате. «Затем ИИ извлечет уроки из экспериментов и предложит нам: «Основываясь на том, что я узнал, и на основе литературы, я предлагаю вам протестировать этот состав каталитического материала для этой породы».
Команда пишет статью по своему проекту и планирует опубликовать результаты в ближайшие месяцы.
Следующим этапом проекта после разработки рецепта катализатора станет разработка реактора, который будет служить двум целям. Во-первых, оснащенный такими технологиями, как рамановская спектроскопия, он позволит исследователям определять и оптимизировать химические условия, которые приводят к повышению скорости и выхода водорода. Устройство лабораторного масштаба также послужит основой для проектирования реального реактора, который может ускорить производство водорода в полевых условиях.
«Это будет реактор заводского масштаба, который будет имплантирован в недра», — говорит Абате.
Междисциплинарный проект также использует опыт Янга Шао-Хорна из факультета машиностроения Массачусетского технологического института и DMSE для вычислительного анализа катализатора, а также Эстебана Газеля, ученого Корнелльского университета, который поделится своим опытом в области геологии и геохимии. Он сосредоточится на понимании богатых железом ультраосновных горных пород в Соединенных Штатах и по всему миру и на том, как они реагируют с водой.
Для Уикса из ARPA-E вопросы, которые задают Абате и другие получатели грантов, являются лишь первыми и важными шагами на неизведанной энергетической территории.
«Если мы сможем понять, как стимулировать эти породы к выработке водорода и безопасно его добывать, это действительно высвободит потенциальный источник энергии», — говорит он. Тогда развивающаяся отрасль будет обращаться к нефти и газу в поисках ноу-хау в области бурения, трубопроводов и добычи газа. «Как я люблю говорить, это технология, которая, как мы надеемся, в очень краткосрочной перспективе позволит нам сказать: «А действительно ли там что-то есть?»»