Odkrycie podziemnego czystego wodoru zmienia rozumienie tego powszechnie występującego pierwiastka i jego potencjału jako czystego źródła energii.
Departament Energii Stanów Zjednoczonych finansuje badania mające na celu wykorzystanie tego zasobu, a projekty skupiają się na optymalizacji naturalnego procesu produkcyjnego i zapewnieniu jego opłacalności ekonomicznej.
Obietnica geologicznego wodoru
Wodór, najobficiej występujący pierwiastek we wszechświecie, zwykle występuje w połączeniu z innymi pierwiastkami, na przykład z tlenem w wodzie lub węglem w metanie. Jednak odkrycie naturalnie występujących podziemnych kieszeni czystego wodoru podważa to założenie. Te ukryte rezerwy przyciągają uwagę jako potencjalnie nieograniczone źródło energii bezemisyjnej.
Departament Energii Stanów Zjednoczonych jest jednym z tych, którzy zwrócili na to uwagę. W tym roku przyznał granty badawcze o wartości 20 milionów dolarów 18 zespołom z laboratoriów, uniwersytetów i firm prywatnych. Cel: opracowanie technologii umożliwiających produkcję opłacalnego, czystego paliwa z podziemnych źródeł wodoru.
Zasób ten, znany jako wodór geologiczny, powstaje naturalnie, gdy woda reaguje ze skałami bogatymi w żelazo, powodując utlenianie żelaza. Wśród grantobiorców znajduje się grupa badawcza pod przewodnictwem MIT Adiunkt Iwnetim Abate. Dzięki dotacji w wysokości 1,3 miliona dolarów zespół Abate zamierza określić optymalne warunki podziemnej produkcji wodoru. W ich pracy zbadane zostaną kluczowe czynniki, takie jak katalizatory wywołujące reakcję, temperatura, ciśnienie i poziomy pH. Ostatecznym celem jest zwiększenie wydajności produkcji na dużą skalę, tak aby wodór geologiczny stał się realnym, konkurencyjnym źródłem energii zaspokajającym potrzeby globalne.
US Geological Survey szacuje, że w skorupie ziemskiej znajdują się potencjalnie miliardy ton geologicznego wodoru. Na całym świecie odkryto akumulacje, a mnóstwo startupów poszukuje złóż możliwych do wydobycia. Abate chce przyspieszyć proces produkcji naturalnego wodoru, wdrażając „proaktywne” podejście, które obejmuje stymulowanie produkcji i pozyskiwanie gazu.
„Naszym celem jest optymalizacja parametrów reakcji, aby przyspieszyć reakcję i wytwarzać wodór w sposób ekonomicznie wykonalny” – mówi Abate, profesor ds. rozwoju Chipmana na Wydziale Nauki i Inżynierii Materiałowej (DMSE). Badania Abate skupiają się na projektowaniu materiałów i technologii na potrzeby transformacji energii odnawialnej, w tym baterii nowej generacji i nowatorskich metod chemicznych magazynowania energii.
Globalne zainteresowanie i perspektywy handlowe
Zainteresowanie wodorem geologicznym rośnie w czasie, gdy rządy na całym świecie poszukują bezemisyjnych alternatyw energetycznych dla ropy i gazu. W grudniu prezydent Francji Emmanuel Macron zapowiedział, że jego rząd to zrobi zapewnić finansowanie w celu zbadania naturalnego wodoru. A w lutym świadkowie rządowi i sektorowi prywatnemu – poinformował amerykańskich prawodawców w sprawie możliwości wydobycia wodoru z ziemi.
Obecnie komercyjny wodór jest produkowany po 2 dolary za kilogram, głównie do celów nawozów, produkcji chemicznej i stali, ale większość metod polega na spalaniu paliw kopalnych, które uwalniają węgiel ogrzewający Ziemię. „Zielony wodór”, wyprodukowany przy użyciu energii odnawialnej, jest obiecujący, ale przy cenie 7 dolarów za kilogram jest drogi.
„Jeśli wodór kosztuje dolara za kilogram, jest on konkurencyjny w stosunku do gazu ziemnego pod względem ceny energii” – mówi Douglas Wicks, dyrektor programowy w Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych ds. Energii (ARPA-E), organizacji kierującej Departamentem Energii program dotacji w zakresie geologicznego wodoru.
Odbiorcy ww Dotacje ARPA-E obejmują Colorado School of Mines, Texas Tech University i Los Alamos National Laboratory, a także firmy prywatne, w tym Koloma, start-up zajmujący się produkcją wodoru, który otrzymał fundusze od Amazona i Billa Gatesa. Same projekty są różnorodne i obejmują zastosowanie przemysłowych metod produkcji i ekstrakcji ropy i gazu do produkcji i ekstrakcji wodoru po opracowanie modeli pozwalających zrozumieć powstawanie wodoru w skałach. Cel: zajęcie się pytaniami w ramach tego, co Wicks nazywa „całkowitą białą przestrzenią”.
„W przypadku wodoru geologicznego nie wiemy, jak przyspieszyć jego produkcję, ponieważ jest to reakcja chemiczna, ani tak naprawdę nie rozumiemy, jak zaprojektować podłoże pod powierzchnią, abyśmy mogli go bezpiecznie wydobyć” – mówi Wicks. „Staramy się zaangażować do pracy najlepsze umiejętności każdej z grup, kierując się założeniem, że zespół powinien być w stanie udzielić nam dobrych odpowiedzi w dość krótkim czasie”.
Geochemik Wiaczesław Zgonnik, jeden z czołowych ekspertów w dziedzinie naturalnego wodoru, zgadza się, że lista niewiadomych jest długa, podobnie jak droga do pierwszych komercyjnych projektów. Mówi jednak, że wysiłki mające na celu stymulację produkcji wodoru – mające na celu wykorzystanie naturalnej reakcji między wodą a skałą – mają „ogromny potencjał”.
„Chodzi o to, aby znaleźć sposoby przyspieszenia tej reakcji i kontrolowania jej, abyśmy mogli produkować wodór na żądanie w określonych miejscach” – mówi Zgonnik, dyrektor generalny i założyciel Natural Hydrogen Energy, startupu z siedzibą w Denver, który dzierżawi minerały na potrzeby odwiertów poszukiwawczych w Stanach Zjednoczonych. „Jeśli uda nam się osiągnąć ten cel, oznacza to, że możemy potencjalnie zastąpić paliwa kopalne stymulowanym wodorem”.
Motywacje osobiste i innowacje
Dla Abate związek z projektem jest osobisty. Kiedy był dzieckiem w swoim rodzinnym mieście w Etiopii, przerwy w dostawie prądu były na porządku dziennym – światła wyłączały się trzy, może cztery dni w tygodniu. Migające świece lub emitujące zanieczyszczenia lampy naftowe były często jedynym źródłem światła podczas odrabiania zadań domowych w nocy.
„A w gospodarstwie domowym musieliśmy używać drewna i węgla drzewnego do takich prac, jak gotowanie” – mówi Abate. „Tak wyglądała moja historia aż do końca szkoły średniej i zanim przyjechałem do Stanów Zjednoczonych na studia”.
W 1987 r. kopacze odwiercili wodę w Mali w Afryce Zachodniej odkrył naturalne złoża wodorupowodując eksplozję. Kilkadziesiąt lat później malijski przedsiębiorca Aliou Diallo i jego kanadyjska firma naftowo-gazowa uruchomili studnię i wykorzystali silnik do spalania wodoru i wytwarzania energii elektrycznej w pobliskiej wiosce.
Porzucając ropę i gaz, Diallo uruchomił Hydromę, pierwsze na świecie przedsiębiorstwo zajmujące się poszukiwaniem wodoru. Spółka wykonuje odwierty w pobliżu pierwotnego miejsca wydobycia, w których wykryto wysokie stężenia gazu.
„Tak więc to, co kiedyś było znane jako kontynent ubogi w energię, teraz generuje nadzieję na przyszłość świata” – mówi Abate. „Dowiadywanie się o tym było dla mnie momentem, w którym zatoczyłem koło. Oczywiście problem ma charakter globalny; rozwiązanie jest globalne. Ale związek z moją osobistą podróżą oraz rozwiązanie pochodzące z mojego rodzinnego kontynentu sprawiają, że osobiście jestem połączony z problemem i rozwiązaniem.
Eksperymenty, które skalują
Abate i badacze w jego laboratorium opracowują przepis na płyn, który wywoła reakcję chemiczną powodującą produkcję wodoru w skałach. Głównym składnikiem jest woda, a zespół testuje „proste” materiały na katalizatory, które przyspieszą reakcję, a co za tym idzie, zwiększą ilość wytwarzanego wodoru, mówi postdoc Yifan Gao.
„Niektóre katalizatory są bardzo kosztowne i trudne w produkcji oraz wymagają skomplikowanej produkcji lub przygotowania” – mówi Gao. „Niedrogi i dostępny w dużych ilościach katalizator pozwoli nam zwiększyć tempo produkcji — w ten sposób będziemy go produkować w ekonomicznie uzasadnionym tempie, ale także z ekonomicznie wykonalną wydajnością”.
Skały bogate w żelazo, w których zachodzi reakcja chemiczna, można znaleźć w całych Stanach Zjednoczonych i na świecie. Aby zoptymalizować reakcję w zróżnicowanym składzie geologicznym i środowiskach, Abate i Gao opracowują tak zwany system o wysokiej przepustowości, składający się z sztuczna inteligencja oprogramowanie i robotykę, aby testować różne mieszaniny katalizatorów i symulować, co by się stało, gdyby zastosowano je w skałach z różnych regionów, przy różnych warunkach zewnętrznych, takich jak temperatura i ciśnienie.
„Na tej podstawie mierzymy, ile wodoru wytwarzamy dla każdej możliwej kombinacji” – mówi Abate. „Wtedy sztuczna inteligencja wyciągnie wnioski z eksperymentów i zasugeruje nam: «W oparciu o to, czego się dowiedziałem i w oparciu o literaturę, sugeruję przetestowanie składu materiału katalitycznego dla tej skały»”.
Zespół pisze artykuł na temat swojego projektu i zamierza opublikować ustalenia w nadchodzących miesiącach.
Kolejnym kamieniem milowym projektu, po opracowaniu receptury katalizatora, jest zaprojektowanie reaktora, który będzie służył dwóm celom. Po pierwsze, wyposażony w technologie takie jak spektroskopia Ramana, umożliwi naukowcom identyfikację i optymalizację warunków chemicznych, które prowadzą do poprawy szybkości i wydajności produkcji wodoru. Urządzenie w skali laboratoryjnej posłuży także do zaprojektowania rzeczywistego reaktora, który może przyspieszyć produkcję wodoru w terenie.
„Byłby to reaktor na skalę roślinną, który zostałby wszczepiony pod powierzchnię” – mówi Abate.
W ramach interdyscyplinarnego projektu wykorzystano także wiedzę Yanga Shao-Horna z Wydziału Inżynierii Mechanicznej i DMSE MIT w zakresie analizy obliczeniowej katalizatora oraz Estebana Gazela, naukowca z Cornell University, który udostępni swoją wiedzę z zakresu geologii i geochemii. Skoncentruje się na zrozumieniu bogatych w żelazo ultramaficznych formacji skalnych w Stanach Zjednoczonych i na świecie oraz ich reakcji z wodą.
Dla Wicksa z ARPA-E pytania zadawane przez Abate i innych beneficjentów grantów to dopiero pierwsze, krytyczne kroki na niezbadanym terytorium energii.
„Jeśli zrozumiemy, jak pobudzić te skały do wytwarzania wodoru i bezpiecznie go wydobyć, naprawdę uwolnimy potencjalne źródło energii” – mówi. Następnie wschodzący przemysł będzie szukać wiedzy specjalistycznej w zakresie wierceń, rurociągów i wydobycia gazu w sektorze ropy i gazu. „Jak lubię mówić, jest to technologia wspomagająca, która, mamy nadzieję, w bardzo krótkiej perspektywie pozwoli nam powiedzieć: «Czy naprawdę coś w tym jest?»”.
Powiązane: Ta licząca miliard lat szczelina może zapewnić nam niemal nieograniczone dostawy naturalnego wodoru
