Новый источник энергии возрастом миллиард лет: в скалах Канадского щита обнаружили запасы белого водорода

Современная мировая экономика ежегодно потребляет миллионы тонн водорода. Объем этого рынка уже оценивается в 135 миллиардов долларов, и потребность в данном ресурсе продолжает расти. Водород необходим для многих базовых отраслей тяжелой промышленности. Он используется при производстве метанола и при выплавке стали. Но главное направление его применения — это создание аммиака, который служит основой для всех азотных удобрений. Так что от стабильных поставок водорода напрямую зависит производство продовольствия и глобальная пищевая безопасность.

Несмотря на статус экологически чистого топлива, способы получения водорода сегодня представляют собой серьезную проблему для окружающей среды и экономики. В естественном виде этот газ практически не встречается в атмосфере, поэтому промышленность вынуждена производить его искусственно. Около 95 процентов всего мирового водорода в наши дни добывается путем химической переработки ископаемых углеводородов — природного газа, угля и нефти. Этот процесс требует огромных затрат энергии и сопровождается масштабными выбросами углекислого и угарного газов в атмосферу. Получается противоречивая ситуация: для создания топлива, которое должно снизить нагрузку на экологию, предприятия сжигают ресурсы, которые эту нагрузку увеличивают.

Альтернативный метод — получение так называемого экологически чистого водорода с помощью расщепления воды электрическим током. Если электричество поступает от солнечных панелей или ветряных станций, выбросов вредных газов не происходит. Однако этот процесс стоит очень дорого и требует огромного количества энергии на само производство. Дополнительные трудности возникают на этапе хранения и транспортировки. Водород — самый легкий химический элемент. Чтобы перевезти его на большие расстояния, газ необходимо сильно сжимать или охлаждать до сверхнизких температур, для чего требуется сложная и дорогостоящая инфраструктура.

Исследование, проведенное геохимиками из Торонтского и Оттавского университетов, предлагает принципиально новый подход к получению этого ресурса. Ученые доказали, что водород можно не производить на заводах, а добывать в готовом виде прямо из-под земли. Результаты их работы, опубликованные в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, подтверждают наличие значительных запасов природного водорода в древних горных породах Канадского щита.

Долгое время идея о том, что земная кора может содержать большие объемы чистого водорода, игнорировалась энергетическими компаниями. Считалось, что этот газ слишком летуч и не может скапливаться под землей в количествах, достаточных для промышленной добычи. Присутствием природного водорода в недрах интересовались лишь узкие специалисты: микробиологи, изучающие подземные бактерии, и исследователи космоса, ищущие условия для возникновения жизни. Оценки возможных запасов строились только на теоретических расчетах. Канадские ученые стали первыми, кто провел прямые физические измерения и задокументировал стабильное выделение больших объемов газа на протяжении длительного времени.

Механизм образования природного водорода основан на естественных химических процессах, которые непрерывно происходят глубоко под землей. Канадский щит состоит из очень старых кристаллических пород. В их составе содержится большое количество минералов, богатых железом. Грунтовые воды, проникая сквозь трещины на большую глубину, вступают в химическую реакцию с этими породами. В процессе окисления железо забирает кислород из молекул воды. В результате этого молекула воды распадается, а освобожденный чистый водород начинает подниматься к поверхности.

Чтобы измерить реальные объемы выделяемого газа, исследователи установили оборудование в действующей шахте рядом с городом Тимминс в провинции Онтарио. Замеры показали, что из одной исследовательской скважины на поверхность выходит в среднем 0,008 тонны, то есть 8 килограммов водорода в год. На первый взгляд эта цифра может показаться незначительной. Однако геологи провели расчеты для всей площади данного месторождения, на котором расположено около 15 000 подобных скважин.

Общий объем выделяемого газа на одном этом участке превышает 140 тонн в год. Если перевести этот объем водорода в электричество, получится 4,7 миллиона киловатт-часов энергии. Такого количества достаточно для того, чтобы полностью обеспечивать электричеством более четырехсот жилых домов в течение всего года. Важнейший вывод исследователей заключается в том, что этот процесс не является кратковременным. Выделение газа идет непрерывно, и порода может генерировать водород в таких объемах более десяти лет.

Открытие канадских ученых имеет огромное экономическое значение благодаря тому, где именно был найден этот водород. Геологические условия, при которых горные породы вырабатывают водород, совпадают с местами залегания ценных металлов. Именно в этих скалах исторически сосредоточена горнодобывающая промышленность Канады. Там находятся месторождения никеля, меди, алмазов, а также ведется геологическая разведка лития, кобальта и хрома — металлов, без которых невозможно производство современной электроники и аккумуляторов.

Совпадение мест выработки природного водорода и добычи полезных ископаемых полностью решает главную проблему водородной энергетики — транспортную. Горно-обогатительным комбинатам больше не требуется разрабатывать сложные маршруты для доставки топлива на свои объекты или строить линии электропередач через безлюдные территории. Энергоноситель находится прямо на месте производства. Компании могут использовать водород, выделяющийся в их собственных шахтах, для обеспечения работы техники и обогрева помещений. Это позволит горнодобывающей промышленности отказаться от использования углеводородного топлива и значительно сократить вредные выбросы в атмосферу без дополнительных финансовых затрат на логистику.

Кроме того, разработка месторождений природного водорода способна кардинально изменить жизнь в удаленных северных регионах. Многие поселения на севере Канады и в других странах с похожим климатом не подключены к центральным электросетям. Для получения электричества и тепла они используют дизельные генераторы. Доставка дизельного топлива в такие районы обходится очень дорого и сильно повышает стоимость жизни. Использование местного природного водорода позволит северным поселениям получить дешевый, независимый и экологически чистый источник энергии.

Подтверждение того, что скальные породы могут стабильно выделять чистый водород, открывает новое направление в мировой добывающей промышленности. Горные массивы с составом, аналогичным породам Канадского щита, существуют не только в Северной Америке, но и на других континентах. Исследование канадских геохимиков предоставляет энергетическим компаниям четкие данные о рентабельности добычи этого ресурса. Теперь методы, проверенные в шахте провинции Онтарио, могут быть применены по всему миру для поиска новых месторождений природного водорода, способного заменить ископаемое топливо в масштабах всей планеты.

Источник:Proceedings of the National Academy of Sciences