Hydrogen tự nhiên, ẩn sâu trong lòng đất, có thể trở thành nguồn năng lượng mới

(MENAFN- The Conversation) Trong cuộc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, sạch hơn, một tài nguyên chưa được khai thác nhiều đang nổi lên: hydro tự nhiên.

Khác với hydro được sản xuất từ các quá trình công nghiệp, hydro tự nhiên hình thành qua các phản ứng địa chất xảy ra bình thường trong lớp vỏ trái đất, nghĩa là nó không tốn chi phí để tạo ra – mặc dù việc khai thác có thể tiêu tốn một khoản – và không phát thải khí carbon dioxide hay các chất ô nhiễm do con người gây ra.

Hiện nay, hydro chủ yếu được sử dụng trong tinh chế dầu, sản xuất ammonia làm phân bón và để tạo methanol, có thể là nhiên liệu hoặc thành phần trong nhựa. Các công nghệ mới nổi đang biến hydro thành nhiên liệu khả thi cho ô tô, máy bay, tàu thuyền và nhà máy. Nhu cầu hydro trên toàn thế giới dự kiến sẽ tăng từ khoảng 90 triệu tấn mét vào năm 2022 lên hơn 500 triệu tấn mét vào năm 2050. Một phần nguồn cung đó có thể đến từ tự nhiên.

Để mô tả từng nguồn hydro, các nhà nghiên cứu năng lượng như tôi và toàn ngành năng lượng thường dùng các màu sắc khác nhau. Nói chung, “xám” và “xanh” hydro đều được tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch, trong đó hydro xanh còn sử dụng công nghệ bắt giữ khí CO2 để giảm phát thải. “Xanh lá” hydro đến từ quá trình điện phân sử dụng năng lượng tái tạo, dùng điện để phân tách nước thành hydro và oxy. “Trắng” hoặc “vàng” hydro xảy ra tự nhiên dưới lòng đất và có thể được khai thác trực tiếp với ít xử lý.

Cách hình thành hydro tự nhiên

Hydro tự nhiên bắt nguồn từ nhiều quá trình địa chất khác nhau. Cơ chế được nghiên cứu nhiều nhất là serpentin hóa, một phản ứng trong đó nước tương tác với các loại đá giàu sắt gọi là ultramafic, giải phóng khí hydro.

Serpentin hóa xảy ra ở nhiều nơi trên thế giới, bao gồm các rạn san hô đại dương và các cấu trúc lục địa như Rift trung tâm Bắc Mỹ, một dải đá igneous chủ yếu, xen kẽ đá trầm tích, kéo dài từ Minnesota qua khu vực hồ Superior và hướng nam về Kansas.

Một quá trình khác, hình thành hydro sinh nhiệt, xảy ra trong các bồn trầm tích sâu khi vật chất hữu cơ phân hủy dưới nhiệt độ cao, khoảng 250 đến 500 độ Celsius. Các phản ứng này cũng có thể tạo ra hydro cùng các khí khác như methane hoặc nitơ.

Vì các quá trình này diễn ra qua hàng triệu năm, việc sử dụng hydro tự nhiên thường tiêu tốn ít năng lượng hơn nhiều so với các phương pháp nhân tạo như điện phân, vốn tiêu thụ khoảng 50 kWh điện cho mỗi kilogram hydro sản xuất – đủ để cung cấp năng lượng cho một ngôi nhà trung bình trong một hoặc hai ngày, và nhiều hơn năng lượng mà kilogram hydro đó có thể cung cấp. Hydro tự nhiên đã được tạo ra rồi – chỉ cần thu thập lại.

Khoa học và cuộc tìm kiếm

Các nhà nghiên cứu và công ty khai thác đang phát triển các phương pháp tương tự như trong khai thác dầu khí để xác định các tích tụ hydro tiềm năng. Họ tập trung vào ba loại cấu trúc địa chất:

• Thấm xuyên tập trung, nơi hydro thấm qua các vết nứt và đứt gãy tự nhiên. Thường nhanh chóng lan lên mặt đất và phân tán, khiến việc bắt giữ quy mô lớn gặp khó khăn.

• Các lớp than, nơi hydro liên kết với các lớp than, có tiềm năng tích tụ cao hơn nhưng gặp khó khăn trong khai thác. Hydro phải được tách ra khỏi than rồi chảy qua các lớp đá chặt để đến điểm khai thác.

• Các hệ thống bẫy chứa trong các trầm tích, tương tự các cấu trúc đá giữ khí tự nhiên dưới lòng đất, được xem là khả thi nhất cho sản xuất thương mại vì có thể tập trung lượng lớn hydro trong các cấu trúc rõ ràng, có thể khoan được. Tuy nhiên, chúng vẫn chưa được chứng minh rõ ràng trong thực tế: ý tưởng cơ bản đã rõ ràng, các nhà địa chất biết rõ nơi có thể xuất hiện các cấu trúc này, nhưng vẫn thiếu dữ liệu chi tiết về lượng hydro thực tế chứa trong đó và khả năng khai thác.

Kho dự trữ khổng lồ – ở đâu đó

Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ ước tính có thể có hơn 5 nghìn tỷ tấn mét hydro địa chất nằm dưới lòng đất trên toàn thế giới. Nhưng chỉ một phần nhỏ trong đó được ước tính có thể khai thác được, cả về mặt kỹ thuật lẫn chi phí hợp lý.

Tuy nhiên, ngay cả 2% trong tổng số đó cũng vượt xa tất cả các trữ lượng khí tự nhiên đã được chứng minh trên hành tinh này, và đủ để đáp ứng nhu cầu dự kiến trong 200 năm tới, kể cả khi tiêu thụ tăng lên.

Tất cả các dự trữ đó đã tích tụ qua hàng tỷ năm. Trái đất tự nhiên sản xuất khoảng 15 đến 31 triệu tấn hydro tự nhiên mỗi năm – ít hơn 1% so với lượng dự kiến cần mỗi năm vào năm 2050. Nhưng chỉ một phần nhỏ trong đó có khả năng được thu giữ hiệu quả.

Vì vậy, hydro địa chất có thể xem là một nguồn năng lượng ít carbon rất lớn nhưng cuối cùng vẫn có giới hạn, có thể bổ sung đáng kể cho các nguồn năng lượng khác, chứ không thể thay thế hoàn toàn.

Các điểm nóng toàn cầu

Hiện tại, chỉ có một mỏ hydro, tại làng Bourakébougou của Mali, sản xuất hydro tự nhiên thương mại, cung cấp hàng chục tấn hydro mỗi năm để cung cấp năng lượng cho làng.

Tuy nhiên, số lượng công ty khám phá hydro tự nhiên đã tăng nhanh, từ khoảng 10 vào năm 2020 lên khoảng 40 vào cuối năm 2023, theo Rystad Energy và các báo cáo của chính phủ, phòng thí nghiệm nghiên cứu liên quan.

Ngoài mỏ ở Mali, hoạt động khai thác tập trung tại Hoa Kỳ, Úc, Canada và một số quốc gia châu Âu.

Tại Hoa Kỳ, dự án Nemaha của HyTerra ở Kansas đã xác nhận nồng độ hydro dưới lòng đất đạt hơn 90% hydro và 3% heli. Nồng độ hydro càng cao thì việc thu hồi càng hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn. HyTerra cũng đang khám phá các khu vực khác ở Trung Tây và vùng núi Rocky.

Các rào cản kỹ thuật

Chuyển đổi hydro địa chất thành nguồn năng lượng thương mại đặt ra nhiều thách thức khoa học và kỹ thuật. Việc phát hiện và đo lường hydro dưới lòng đất rất khó do kích thước phân tử nhỏ và tính phản ứng của nó với các nguyên tố khác trong đá.

Và nếu phát hiện ra hydro ở nồng độ thấp pha trộn với các khí khác, việc tách và tinh chế hydro trước khi sử dụng có thể rất tốn kém, thậm chí không khả thi.

Kinh tế và hiệu quả

Tiềm năng kinh tế của hydro tự nhiên nằm ở sự đơn giản của nó.

Vì quá trình địa chất đã thực hiện phần lớn công việc sản xuất, các ước tính ban đầu cho thấy chi phí khai thác có thể bằng một phần mười hoặc thậm chí ít hơn so với các phương pháp sản xuất hydro truyền thống khác.

Tuy nhiên, các con số này dựa trên lượng hydro nhỏ đã phát hiện được cho đến nay và có thể không phản ánh hiệu suất quy mô lớn trong tương lai. Việc sản xuất đủ để đáp ứng nhu cầu thương mại sẽ cần phát hiện các tích tụ lớn, chất lượng cao.

Như một nhóm nghiên cứu hàng đầu đã lưu ý, “Đây không phải là cơn sốt vàng.” Đó là một cuộc khám phá cẩn thận dựa trên bằng chứng khoa học có thể dẫn đến một nguồn năng lượng phong phú, không carbon và liên tục, bổ sung cho các nguồn năng lượng tái tạo khác.