Водородная лихорадка: как добывать неуловимый ресурс

Москва. 21 мая. INTERFAX.RU - Начавшаяся в последние годы в мире водородная лихорадка пришла и в Россию. Об этом свидетельствует недавно закончившийся в Санкт-Петербурге ХХII Российский международный энергетический форум, на одной из площадок которого обсуждалась проблема углеводородов. Было распоряжение Федерального агентства по недропользованию признать водород полезным ископаемым. И, наконец, этот вопрос обсуждался и на заседании бюро отделения наук о Земле РАН.

Чем вызван такой интерес? Где залегает водород, сколько его в природе и как он соотносится с углеводородами? На эти темы наш специальный корреспондент Вячеслав Терехов беседовал с академиком Михаилом Федонкиным, который был основным докладчиком на заседании бюро отделения РАН

Откуда, есть пошел водород?

- В чем причина такого бума? Надо ли ожидать перехода мировых экономик, в том числе и нашей, на водородную энергетику?

- Водород – необычное полезное ископаемое. Он самый древний химический элемент, может быть, еще гелий, но водород - самый обильный, доминирующий элемент Вселенной по массе и по количеству атомов (92%). Из всех газов он самый легкий и летучий. Водород высоко реакционноспособен и взрывоопасен. Он сильный восстановитель металлов, отнимающий кислород из их окислов. Благодаря малому размеру атома, водород обладает высокой теплопроводностью и большой скоростью диффузии. У него есть поистине фантастическое свойство – проникать сквозь стекло и металлы и входить в кристаллические решетки минералов, образуя твердый раствор. Все это создает проблемы при его добыче, транспортировке, хранении и использовании.

В то же время, природный водород – эффективный и экологически чистый энергоноситель. Его себестоимость может быть в разы ниже себестоимости традиционных источников энергии. Удельная теплота сгорания водорода в разы превышает удельную теплоту сгорания углеводородных топлив. Его свойства позволяют изготавливать качественные топливные элементы.

В силу своих уникальных качеств водород широко и в возрастающей степени используется в металлургии, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и стекольной промышленности, в энергетике и электронной промышленности, а также при изготовлении ядерного топлива и ракетного горючего. В горнодобывающей промышленности водород используют для повышения извлекаемости благородных металлов. Глобальное потребление водорода в этих и других видах человеческой деятельности ныне достигает 95 млн тонн в год и будет только возрастать.

Производство его слишком накладно

- Такой объем потребления говорит о его необходимости для развития всех видов экономики. Значит, его можно получать промышленными способами. Тогда зачем тратиться на его добычу?

- Да, этот объем водорода получают промышленными способами. Их всего пять-шесть, но все они требует колоссальных энергетических затрат, существенно превышающих энергетическую ценность произведенного водорода. Некоторые из этих технологий даже крайне нежелательны по экологическим причинам. Вот почему перспектива добычи природного геологического водорода так вдохновляет человечество.

- Таким образом, причина водородного бума лежит в том, что человечеству понадобилось больше энергии, чем оно имеет, а все имеющиеся варианты производства водорода на поверхности Земли очень дорогие?

- Дорогие и экологически небезупречные. Поэтому, речь идет не только о водородной энергетике, но и о декарбонизации промышленности и транспорта, то есть о снижении выброса углерода в атмосферу. Это становится международным экологическим императивом ввиду активно продвигаемой климатической повестки. Входит в практику трансграничный налог на углеродные выбросы для импортеров, формируется система рыночной торговли углеродными квотами. Все это объявляется в качестве механизма углеродного регулирования, но вполне может стать инструментом "двойного назначения" в руках недобросовестного партнера в случае конфликта экономических или геополитических интересов.

Крупнейшие экономики мира продолжают инвестировать в развитие сферы ископаемого топлива в менее богатых странах, вопреки заявлениям о глобальном потеплении. Мировые прогнозы показывают рост потребления энергии к 2040 году на 30%, в основном благодаря растущей индустриализации Индии, Юго-Восточной Азии и Китая. Самый быстрый рост демонстрируют отрасли получения возобновляемой энергии и потребление природного газа (до 50 %). Но и спрос на нефть будет возрастать, достигнув пика к 2040 году.

- А спрос на водород?

- Что касается природного водорода, то обоснованный и надежный прогноз пока невозможен. В нашей стране активно развивается высокотехнологичное направление "Развитие водородной энергетики", разработана "дорожная карта" на период до 2030 года. Но лишь недавно в этот план включено особое мероприятие – "Поиски природного водорода".

Главный резерв водорода – вода!

- Если водород признали полезным ископаемым, то это означает, что должна быть технология его добычи, хранения, переработки и, в конце концов, технология передачи пользователю. У нас все это есть или все надо начинать с нуля?

- Не совсем с нуля! Большой шаг к пониманию механизмов генерации водорода в недрах Земли сделали российские и зарубежные ученые, изучающие ресурсы больших глубин, линейные зоны на границе столкновения литосферных плит, места, где образуется молодая кора океанического дна. Но, помимо геологов, свою лепту внесли микробиологи, исследующие бактерии и другие одноклеточные микроорганизмы, живущие на водороде в горячих водных источниках вулканического происхождения и в глубинной подземной биосфере.

Ныне известно более десятка небиологических природных процессов, которые сопровождаются выделением водорода в недрах Земли. Но по мнению специалистов, главный вклад в водородный бюджет планеты вносят два процесса – серпентинизация и радиолиз. Серпентинизация - это один из наиболее распространенных процессов образования водорода в недрах Земли, в результате которого атомы кислорода из молекул воды окисляют железо минералов, освобождая водород. Уже хорошо известно, что этот процесс дает нам не менее 80% эмиссии природного водорода из земных недр. Более того, многие ученые считают, что именно он и является начальным этапом генерации углеводородных газов и нефти!

Радиолиз тоже связан с водой – это расщепление молекул воды под воздействием ионизирующего излучения.

Но и на суше процессы генерации водорода также работают, правда, на значительных глубинах и преимущественно в зонах распространения древних (докембрийских) пород и рудных проявлений при соответствующей температуре и в присутствии воды. Из этого следуют два важных вывода: первый – главным резервуаром водорода на Земле является вода, и второй – процесс выделения водорода из недр извечен. По расчетам академика В. В. Адушкина, ежегодно из недр нашей планеты поступает в ее атмосферу от 40 до 130 млн тонн водорода. Кстати, водородный шлейф Земли хорошо заметен из космоса.

Возникает ощущение, что на Земле водород почти везде выходит не из залежи или скопления, а из постоянно возобновляемого источника.

Точно знаем, что он есть, но как его извлечь?

- И все же: как его извлечь?

- Ваш вопрос о том, как извлечь водород, стоит очень остро во многих отношениях. Пока не вполне понятно, где и как искать зоны скопления природного водорода. Диффузионные и химические свойства Н2 затрудняют его обнаружение. Самый легкий из всех газов, с самым малым размером атома, он быстро диффундирует в воздухе и в других материалах, включая минералы и металлы. Водород быстро покидает место генерации и, видимо, недолго удерживается в геологических ловушках. Как ценнейший источник энергии водород быстро поглощается микроорганизмами, населяющими верхние толщи земной коры и почву, при этом их биомасса быстро возрастает.

Пока нет разработанных методик поисков залежей природного водорода, методов оценки его локальных запасов, нет четких представлений об источниках водорода, особенностях его миграции в различных геологических условиях недр. Есть основания полагать, что скопления водорода образуются в иных геологических обстановках, нежели месторождения газа и нефти. Возможно, по этой причине примеры высокой концентрации водорода пока так редки, несмотря на более чем миллион скважин, пробуренных в мире только на нефть.

Крупные добывающие компании пока осторожны в отношении к природному водороду: они наблюдают, какие результаты покажут малые компании, с энтузиазмом обустраивающие первые скважины, но сильно рискующие ввиду больших неопределенностей.

Буровые в поисках водорода? Бесполезно!

- Пробуют путем бурения? Вы сказали, что водород выходит из всей поверхности Земли, значит, где-то его надо улавливать, или бурить скважины?

- Это хороший вопрос. В мире действительно пробурено огромное количество скважин на газ и нефть, по-моему, миллион двести тысяч. Кроме того, по некоторым оценкам, в 2020 году в мире насчитывалось не менее 29 миллионов заброшенных скважин. Но чистый водород оттуда не идет – выходит газ, в котором водород составляет несколько процентов, крайне редко – больше. Следует заметить, что документация эмиссии водорода из скважин производилась далеко не всегда и не во всех странах. Водород практически везде находится в очень малых количествах. Поэтому сейчас самое важное – исследовать, какие процессы генерируют водород в различных геологических условиях, и что с ним происходит по пути наверх.

- Если его нет в скважинах, которые бурят для добычи нефти и газа, то он может быть где-то в разломах земной коры?

- В тех скважинах, где обнаружен водород, нередко отмечается рост его концентрации с глубиной. Из разломов земной коры водород обычно выходит вместе с другими газами, например, с гелием и радоном, легкими углеводородами. Возникают вопросы, из каких источников идут эти газы, и можно ли ожидать больших скоплений водорода в области его постоянного истечения, разгрузки. Необходимо понять, где он генерируется. Далее надо выяснить, что с ним происходит по мере подъема к поверхности Земли, есть ли на его пути наверх препятствия, которые могут служить "покрышкой", способствующей его накоплению, например, глинистые толщи, мощные пласты солей, покровы магматических горных пород.

В мире есть наработки – и нам надо поторопиться!

- Водород практически нигде не встречается в чистом виде, а лишь вместе с метаном, с другими газами. О каком водороде мы говорим?

- Мы говорим о резком преобладании водорода в природной газовой смеси. Случаи его концентрации выше 90% пока единичны, например, известная история со скважиной в Мали, ставшая триггером водородного бума. Но сам факт столь высокой концентрации водорода – интереснейшая тема для исследования.

- Но как его можно получить? Ведь при соприкосновении с воздухом, то есть с кислородом, он вступает в реакцию. Значит, должна быть особая технология его добычи.

- Чистый водород безопасен. Его взрывоопасные концентрации в смеси с воздухом начинаются с 4%. Каждая отрасль индустрии, использующая водород, имеет свой протокол и технику безопасности. Предстоит разработка требований к материалам и оборудованию, правил его эксплуатации на всех стадиях практической работы с природным водородом по всей цепочке инфраструктуры. Официальное признание природного водорода полезным ископаемым России, включение темы поисков этого ресурса в планы развития водородной энергетики страны дают формальное право заниматься исследованиями, поисками, разведкой, промышленным получением и использованием водорода. Но для реализации этого права необходимо создать законодательные основы всех видов этой деятельности.

- Если речь идет о законодательных и юридических вопросах, тогда это надолго. А в мире идет работа по добыче водорода? Или тоже дело буксует в юридической казуистике?

- Уже выделенные правительством средства на поиски природного водорода обязывают поторопиться. Дело в том, что сейчас в мире формируется большое количество стартапов, связанных с поиском, разведкой и добычей природного водорода.

- Есть примеры добычи водорода в мире?

- Есть, но их немного. В Мали с 2012 года идет добыча почти чистого водорода, но в небольшом объеме. Он сжигается при производстве электричества для небольшой деревни. Разведочные скважины заложены в Австралии, Испании, Франции, США. Кстати, две скважины в штатах Небраска и Канзас расположены в области крупной тектонической разломной зоны. Очень серьезные работы разворачиваются в Австралии, и понятно почему. Именно на этом континенте в Южной Австралии совпали близость океана, а значит - вероятность воды в недрах, где залегают древние железные руды и ураноносные отложения. Железо необходимо, чтобы отнимать атом кислорода у молекулы Н2О, а уран будет способствовать радиолизу воды с выделением водорода. Некоторые старые скважины там показывают высокую концентрацию водорода.

- Помимо австралийцев, кто ещё разрабатывает проблему поиска и добычи водорода?

- Судя по количеству научных публикаций, самое больше внимание этой проблеме уделяет Китай, затем Германия и США, далее Италия, Великобритания, Испания.

***

Следующая беседа будет посвящена проблеме взаимоотношения водорода и углеводородов. Может ли водород заменить их?