Добыча природного водорода

С древнейших времён люди знали о выходе на поверхность лёгкого горючего газа. От знаменитых Огней Химеры в южной Турции был зажжён первый Олимпийский огонь.

[1]  В конце XIX века Дмитрий Менделеев обнаружил в угольной шахте смесь газов, богатую водородом. Во второй половине ХХ века профессор-геолог В. Н. Ларин выдвинул гипотезу об изначально гидридной Земле и дегазации водорода из недр (подробнее об этом рассказывалось в «НиР» № 12, 2022; № 3, 2023). Но лишь в наше время водород признан полезным ископаемым в России (см. «НиР» № 6, 2023).

Ещё академик Вернадский считал: «Наши представления о термодинамических и химических условиях глубин нашей планеты заставляют нас видеть в них среды, благоприятные для существования водородистых тел. Здесь активность химических реакций уменьшается, кислород быстро “сходит на нет”, начинают всё более и более преобладать металлы типа железа и, по-видимому, растёт количество водорода. В то же самое время температура и давление повышаются. Всё это должно привести к сохранению в этих глубинах водородистых соединений, и в том числе растворов водорода в металлах».

География водородных скважин

Африка

В 1987 году в Мали в деревне Буракебугу в поисках воды пробурили скважину глубиной 112 метров, однако из недр вместо жидкости начал выходить газ. Один из бурильщиков, куря сигарету, чуть не погиб: вспыхнувшее пламя не удавалось погасить несколько недель. Справившись с огнём, скважину замуровали на десятилетия. В 2012 году о ней вспомнили и стали изучать. Как выяснилось, вырвавшийся из неё газ на 98 процентов состоит из водорода.

Обширные данные по водороду из первой скважины и предварительные геохимические данные, полученные из дюжины разведочных скважин в окрестностях, подтвердили наличие обширного месторождения первородного газа, включающего в себя по меньшей мере пять расположенных друг за другом в радиусе восьми километров скважин, содержащих значительное количество водорода. Общая глубина скважин колеблется от 105 до 1807,4 метра. И вот уже более десяти лет водородная скважина в Мали обеспечивает деревню электричеством, потоки газа из неё за это время не уменьшились.

Австралия

В ноябре 2020 года основатель компании Gold Hydrogen австралиец Люк Титус обнаружил в архивах Геологической службы Южной Австралии отчёт Департамента горной добычи. В нём, в бюллетене № 22, были приведены данные по необычной скважине, пробурённой на Кенгурином острове, в смеси газов её дебета преобладал водород (80 процентов). Ещё одна скважина на соседнем полуострове Йорк давала газ с 70‑процентным содержанием Н2.

В феврале 2021 года, когда законодательством Южной Австралии была разрешена добыча водорода, Титус подал заявку на геологические исследования на площади в восемь тысяч квадратных километров, охватывающей Кенгуриный остров и полуостров Йорк. Его примеру последовали и другие добывающие компании, получившие лицензии на разведку водорода.

Америка

В 2019 году компания Natural Hydrogen Energy завершила строительство скважины глубиной 3,4 километра в Небраске, которая расположена прямо посреди кольцевой структуры высветленной почвы: проходя через слой чернозёма, водород разрушает его длинные молекулы на более короткие. Правда, компания пока не сообщает о количестве добытого водорода, однако скважина оказалась вполне успешной.

В 2018 году в Испании была учреждена компания Helios Aragon, которая запустила проект по геологоразведке топлива нового вида. Компания получила разрешение провести геологические исследования на территории в 890 квадратных километров в северной испанской провинции Арагон, где в последние 60 лет многократно получали притоки водорода при поисковом бурении на нефть и газ. Одна из скважин, пробурённая ещё в 1963 году компанией Empresa Nacional de Petroleos в ста километрах от Сарагосы, дала аномально высокий дебет водорода. Полученные геологами Helios данные показали, что буровики на глубине 3680 метров натолкнулись на пластовую структуру, которая может быть коммерчески перспективной для разработки.

В 2020 году было заключено соглашение между Helios Aragon и американским фондом Ascend Funds Management. Совместно подготовлен геологический проект по поиску водорода и гелия.

С инвестициями в размере 900 миллионов евро Испания может начать добычу природного водорода и гелия в регионе Арагон в 2028 году. Геологи Испании планируют пробурить разведывательную скважину в конце 2024 года. Она станет первой в Западной Европе скважиной с природным водородом. Причём в дополнение к первородному газу в Пиренеях были обнаружены небольшие запасы (до четырёх процентов) гелия в этом же резерве.

Гелий – один из самых востребованных газов на рынке. Его цена выросла на 250 процентов за последние пять лет, достигнув значения в 100 раз выше, чем у природного газа. В Испании такого производства нет, несмотря на то что десять процентов национальной промышленности связано с этим газом.

Проект предусматривает три этапа работ, включая геохимический анализ на поверхности и сейсмические исследования пород на глубинах до 4000 метров. Если геологические изыскания обнаружат коммерчески перспективные залежи водорода и сопутствующего гелия, в регионе может быть создан водородный центр. «Мы видим перспективы такого центра в Сарагосе, – отметил председатель правления Helios Aragon Кристофер Аткинсон. – Он сыграет критическую роль в будущей системе дистрибуции и потребления нового топлива, которая придаст импульс динамичному развитию региона и созданию в нём новых рабочих мест. В случае успеха мы продолжим изыскательские работы, чтобы ещё нарастить местный энергоресурсный потенциал».

В общей сложности по всему миру были зафиксированы сотни водородных просачиваний. По мнению некоторых специалистов, наличие водорода в недрах может объяснить сотни тысяч неглубоких круглых впадин на Земле. Подробнее о проявлениях дегазации планеты – в статье «Водородное дыхание Земли» («НиР» № 3, 2023).

Энергетики продают природный водород по очень конкурентоспособной цене (0,75 евро за килограмм), в то время как зелёный водород, произведённый из излишков возобновляемых источников энергии, стоит от 7 до 8 евро за килограмм.

Вполне возможно, что уже в самом ближайшем будущем человечество начнёт отказываться от углеводородного топлива в пользу чистого водорода.

Приключения водорода в России

12.10.20 года правительство за № 2634‑р утвердило концепцию развития водородной энергетики до 2050 года, согласно которой потенциальные объёмы экспорта водорода из России могут составить от 15 до 50 миллионов тонн в 2050 году. Если исходить из приблизительных оценок, поставки объёмом 50 миллионов тонн могут приносить России около 150 миллиардов долларов ежегодно.

Экс-советник президента Сергей Глазьев предложил правительству поддержать разработку технологий по прямой добыче водорода как самого дешёвого и экологичного способа его получения. «Сейчас практикой геолого-разведочных работ не выявлены природные скопления водорода в недрах», – ошибочно считает представитель Минприроды Марина Евсеева. «При этом министерство поддерживает проработку идеи по добыче природного водорода на основе выводов В. Н. Ларина с привлечением геологических институтов РАН», – продолжила она на оптимистичной ноте.

«Прошу проработать совместно с Сергеем Глазьевым и поддержать», – дал поручение премьер-министр РФ М. В. Мишустин вице-премьеру Александру Новаку и министру науки и высшего образования Валерию Фалькову. Глазьев просит Мишустина включить в утверждённую концепцию развития водородной энергетики научную работу по технологии добычи природного водорода, подготовить нормативно-правовую базу (включить водород в классификатор полезных ископаемых, выдавать лицензии на его месторождения с постановкой запасов на госбаланс, определить порядок согласования и утверждения проектной и технической документации на их разработку), а также запустить пилотный проект по добыче водорода в одном из регионов. «Создание технологии и организация добычи природного водорода выведут Россию в мировые лидеры в водородной энергетике», – подчёркивает он.

Экс-советник президента пишет, что в России выявлено более двух тысяч точек истечения водорода из недр, добыча природного водорода «многократно дешевле», чем используемые сегодня технологии его извлечения из метана или воды. Но до сих пор ни в России, ни в других странах не начата добыча водорода в коммерческих масштабах.

Водородная дегазация

Первыми тему истечения водорода из недр планеты начали обсуждать наши учёные – А. А. Маракушев, Ф. А. Летников и В. И. Вернадский, который предсказал все основные проблемы геологии ещё в начале XX века. Детально принципы добычи природного водорода из недр разработал профессор-геолог Владимир Николаевич Ларин в работе о «изначально гидридной Земле» (гидриды – соединения водорода с металлами). Учёный предполагает, что находящийся в ядре планеты водород в районе крупных тектонических разломов земной коры выделяется на поверхность, где его можно добывать в больших количествах, превышающих «потенциальные потребности человечества».

Как видно из схемы водородной дегазации, до поверхности Земли глубинный водород доходит в основном в виде углеводородов, воды и газа Н₂.

В наиболее проницаемых зонах – каналах быстрой вертикальной миграции эндогенных газов – свободные водород и гелий (состоящий в основном из изотопа ⁴Не и небольшого количества ³Не, продуцируемого исключительно реакциями синтеза) мигрируют в виде газовых струй или в растворе с ювенильными водами, часто достигая поверхности, проникают в стратосферу (где вносят вклад в разрушение озонового слоя), после диссипируют (рассеиваются) в космическое пространство.

«Земля выбрасывает из своих глубин до 500 миллиардов тонн водорода в год», – констатирует сын В. Н. Ларина, сотрудник Института физики Земли РАН Николай Ларин.

Аналогично образуются в верхней мантии и земной коре соединения водорода с серой (H2S) и с азотом (NH3).

Зарождающаяся геологоразведка водорода

Нефтегазовая промышленность пробурила множество скважин по всей Земле. Но геологи долгое время не замечали водород, поскольку его очень мало содержится в осадочных породах, которые дают нефть и газ. Иначе говоря, природный газ и водород существуют в разных местах, и их месторождения «не пересекаются» друг с другом.

В процессе водородной дегазации недр Земли первородный газ реагирует с кислородом, образуя самую распространённую жидкость на планете – воду. Сланцы или аргиллиты богаты органическими веществами и углекислым газом. При сжатии и нагревании молекулы углерода в этих породах поглощают водород с образованием метана, а из него синтезируются более тяжёлые углеводороды, образуя вторую по распространению жидкость на Земле – нефть.

По мнению авторов, основная причина, почему в массе пробурённых скважин не находили водород, – его попросту не искали. Внимание геологов было направлено лишь на промышленные дебеты углеводородов и воды, и если показатели скважины были ниже нормативов, то её ликвидировали.

В отличие от водорода-энергоносителя, получаемого в результате химических и электрохимических реакций, природный водород относится к первичным источникам энергии и является абсолютно экологичным («бесцветным») полезным ископаемым.

Геологоразведка водорода в России

Одним из пионеров геологоразведки водорода в России является ООО ПГК «Сибгеоком», предлагающее готовую, опробованную на практике методику разведки и добычи первородного газа из недр Земли. Примечательно, что свои работы они ведут в зоне Байкальского рифта, там же, где В. Н. Ларин нашёл свои первые выходы водорода из глубин нашей планеты.

Основоположник геологоразведки водорода академик РАЕН В. П. Полеванов считает, что для поисков месторождений природного водорода наиболее важны следующие факторы:

1. Наличие богатых железом ультраосновных и основных пород, особенно архейского фундамента, горные породы которого могут быть потенциальными источниками как радиолитического, так и гидролитического H₂.
2. Глубинные разломы фундамента, которые могут обеспечить миграцию и в благоприятных местах концентрацию диффузных источников H₂.
3. Существует коллекторский потенциал на глубине на границе между фундаментом и осадочными породами. Например, природный газ из скважины MtKitty 1 (бассейн Амадеус) содержит 11 процентов H₂ в трещиноватом магматическом фундаменте, непосредственно перекрытом осадочными породами.
4. Поля развития сказочных кругов (циркументов), которые сами по себе не могут быть концентраторами месторождений природного водорода, но указывают, что в данном районе происходит дегазация природного водорода, и задача поисковых работ – найти на флангах водородных циркументных полей места потенциальных ловушек для образования месторождений.

Важно заметить, что слои соли, сланцев и силлы² являются препятствием для выхода водорода, своего рода экранами, поэтому при бурении такого слоя высока вероятность найти значительное месторождение водорода, как в Мали.

Водород полуострова сокровищ

Крым является частью Крымско-Кавказской горной системы, поэтому там ярко выражены самые разные проявления водородной дегазации от многочисленных источников минеральных вод и углеводородов до грязевых и палеовулканов.

С давних времён в Тавриде добывали нефть и газ. При археологических раскопках возле Керчи в 1937–1939 годах была обнаружена амфора IV–V веков с сохранившейся жидкой нефтью, близкой по составу к нефти месторождения, расположенного на Керченском полуострове. Согласно фактическому распределению углеводородов в Западном и Восточном полушариях Земли, нефтегазовый потенциал Черноморско-Азовского бассейна может оказаться значительно больше, чем района Апшеронского полуострова и Персидского залива. Мощность майкопских отложений в Крыму достигает более 5000 метров, и в них содержится громадное количество высококачественной нефти. Нигде в мире нет таких мощных майкопских отложений, как на Керченском полуострове, Чёрном и Азовском морях.

В большом объёме исследований доказана связь газовых морских факелов Чёрного моря с глубинными источниками дегазации недр. По мнению В. И. Лысенко (МГУ, 2007), именно глубинные разломы на дне Чёрного моря являются каналами доставки газов из недр планеты. Весьма важно, что над давно известным грязевым вулканом Двуреченским, расположенным в южной части прогиба Сорокина, в 2003 году обнаружен (Е. Ф. Шнюков, А. А. Пасынков, С. А. Клещенко, В. А. Кутный) крупнейший газовый фонтан Черноморской впадины.

Пришла пора обратить внимание геологов на поиски выходов водорода из Крымских недр. Анализ дебета попутных газов водяных скважин показывает, что даже без специальных мероприятий и акцента поиска водорода доля его в ряде мест – более трёх процентов.

Перспективный метод добычи водорода

Задача выделения водорода в чистом виде из смеси газов может быть решена через создание мембраны, пропускающей только молекулы легчайшего газа.

В статье в Nature Нобелевский лауреат А. К. Гейм предлагает использовать графен в качестве мембраны для выделения чистого водорода. Монослои графена и гексагонального нитрида бора (НBN) обладают высокой проницаемостью для тепловых протонов в условиях окружающей среды. Самая высокая протонная проводимость при комнатной температуре у монослоя НBN, для которого измеряемое удельное сопротивление потоку протонов около 10 Ом*см 2 и низкая энергия активации около 0,3 электронвольта. Протоны представляют собой промежуточный случай между электронами, которые могут легко туннелировать через атомарно тонкие барьеры.

Учёным давно известно, что графен не пропускает никакие жидкости и газы, это позволяет использовать его в составе антикоррозионных материалов и герметичных упаковок. К примеру, самому маленькому из атомов – атому водорода – требуется время жизни Вселенной, чтобы пройти через монослой графена. В своих экспериментах учёные обнаружили, что, несмотря на это, графен в присутствии катализатора, например, платины, отлично пропускает протоны – ядра атомов водорода. Физики использовали два контейнера, один из которых был пуст, а во втором находилась смесь из газа аргона и водорода.

«Мы наблюдали, что водород из одного контейнера перемещался в другой, где водорода не было», – пояснил Нобелевский лауреат А. К. Гейм «Газете.Ru».

Способность тонкой мембраны не пропускать ничего, кроме протонов, может найти широкое применение. На наш взгляд, самым рентабельным было бы получение водорода из скважин в местах его выхода на поверхность. Пропуская через графеново‑платиновую мембрану выходящий из Земли водородосодержащий газ, получаем чистый водород, компримируемый (сжимаемый) компрессором, работающим на извлекаемом водороде!

Теплотворная способность водорода – 3,6 кВт•ч/м³, или 40 кВт•ч/кг. Это примерно в три раза выше, чем у природного газа. Иными словами, только в пресных водах Земли (это всего четыре процента от всей земной

воды) содержится 2,24•10 11 ТВт•ч потенциальной водородной энергии. Для сравнения, вся энергия, потребляемая человечеством в течение года, менее 2•10 5 ТВт•ч, что в миллион раз меньше.

Нужно научиться улавливать лишь один процент в год от объёма Н₂, улетающего в космос с нашей планеты, – «всего» 5 миллиардов тонн водорода, чтобы обеспечить абсолютно экологичной энергией всё человечество на современном уровне.

Игорь ДАБАХОВ, Международный фонд технологий и инвестиций

Владимир БАЖЕНОВ, экс-глава ГУП РК «Воды Крыма»

Станислав ДАНИЛЕНКО, генеральный директор «Крымгазпром»

Источник: «НиР» № 8, 2023

Более подробно на сайте https://idabahov.ru/dobycha-prirodnogo-vodoroda/

[1] На склоне горы Химеры, или Янарташ, круглый год горит естественный огонь

[2] Силл – интрузивное тело, имеющее форму слоя, контакты которого параллельны слоистости вмещающей толщи.