Добыча природного водорода

«Натуралист и математик должен знать прошлое своей науки, чтобы понимать ее настоящее»

В.И. Вернадский

Соавторами статьи являются Баженов Владимир Викторович экс-глава «Воды Крыма» и Даниленко Станислав Михайлович ген. директор «Крымгазпром». Надеюсь, наше плодотворное сотрудничество приведет к удивительным открытиям и интересным для любознательных читателей статьям.

С древнейших времён люди знали о выходе на поверхность лёгкого горючего газа. От знаменитых Огней Химеры в южной Турции был зажжён первый Олимпийский огонь. 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 о изначально гидридной Земле и дегазации водорода из недр. Но лишь в наше время водород признан полезным ископаемым в России.

Еще 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 все более и более преобладать металлы типа железа и, по-видимому, растет количество водорода. В то же самое время температура и давление повышаются. Все это должно привести к сохранению в этих глубинах водородистых соединений, и в том числе растворов водорода в металлах» [1].

Навигация по статье

География водородных скважин
Африка
Австралия
Америка
Испания
Запасы водорода в Албании
Приключения водорода в России
Водородная дегазация
Зарождающаяся геологоразведка водорода
Геологоразведка водорода в России
Водород полуострова сокровищ
Микробы, поедающие водород
Перспективный метод добычи водорода
Водородная мембрана
Источники знаний

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: вспыхнувший факел пламени не удавалось погасить в течение нескольких недель. Справившись с огнём, скважину замуровали на несколько десятилетий. В 2012 году об этой скважине вспомнили, и стали её изучать. Как выяснилось, вырвавшийся из неё газ на 98% состоит из водорода.

Основываясь на обширных данных по водороду из первой скважины и предварительных геохимических данных, полученных из дюжины разведочных скважин в окрестностях, подтвердилось наличие обширного месторождения первородного газа, включающего по меньшей мере пять расположенных друг за другом скважин, содержащих значительное количество водорода. Скважины расположены в радиусе 8 км, их общая глубина колеблется от 105 м до 1807,4 м.

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 нем в бюллетене № 22 были приведены данные по необычной скважине, пробуренной на Кенгурином острове, в смеси газов её дебета преобладал водород (80%). Ещё одна скважина на соседнем полуострове Йорк давала газ с 70% содержанием Н₂.

В феврале 2021 года, когда законодательство Южной Австралии было дополнено положениями, разрешающими добычу водорода, Титус подал заявку на геологические исследования на площади в восемь тысяч квадратных километров, охватывающей территории Кенгуриного острова и полуострова Йорк. Его примеру последовали и другие добывающие компании, получившие лицензии на разведку водорода.

Америка

Водородная скважина Natural Hydrogen Energy, построенная в США в Женеве, штат Небраска

В 2019 году компания Natural Hydrogen Energy завершила строительство скважины глубиной 3,4 км в Небраске, которая расположена прямо посреди кольцевой структуры высветленной почвы, т.к. проходя через слой чернозема, водород разрушает его длинные молекулы на более короткие.

Недавно HyTerra привлекла $4 млн для финансирования буровых работ и планирует привлечь еще несколько миллионов в совместный с Natural Hydrogen Energy стартап получивший права на бурение скважин для поиска водорода вдоль хребта Немаха в Канзасе. Оба участка расположены возле Срединно-континентального рифта — тектонического разлома, который проходит через Северную Америку.

Испания

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 шестьдесят лет многократно получали притоки водорода при поисковом бурении на нефть и газ. Одна из скважин, пробуренная 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; в качестве консультанта был привлечён профессор Даремского университета (Англия) Джон Глияс.

С инвестициями в размере 900 млн.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 4%) гелия этом же резерве.

Гелий – один из самых востребованных газов на рынке. Его цена выросла на 250% за последние пять лет, достигнув значения в 100 раз выше, чем у природного газа. В Испании такого производства нет несмотря на то, что 10% национальной промышленности связано с этим газом.

Электрогенератор компании Hydroma, работающий на природном водороде

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 было зафиксировано сотни водородных просачиваний. По мнению некоторых специалистов, наличие водорода в недрах может объяснить сотни тысяч неглубоких круглых впадин на Земле.
Более подробно о проявлениях дегазации планеты можно прочесть в статье «Водородное дыхание Земли».

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

Запасы водорода в Албании

Резервуар с водородом обнаружили внутри части земной коры и мантии, которая когда-то лежала на дне океана, который в результате столкновения двух плит поднялся над поверхностью моря. Образовавшийся скалистый пояс протяженностью около 3000 километров простирается от современной Турции и до Словении.

Геологи и ранее фиксировали утечку газообразного водорода из скважин и шахт, расположенных в этих формациях. Однако на этот раз был обнаружен гигантский резервуар, расположенный под шахтой, из из водоемов которой выходили интенсивные облака газообразного водорода. Исследователи сообщили, что более 220 тонн водорода в год выходит из хромитового рудника Булькизе в Албании. По оценкам специалистов, в настоящее время в резервуаре под шахтой содержится до 55 тысяч тонн газа. В настоящее время это один из крупнейших показателей выбросов естественного водорода из когда-либо зафиксированных на планете.

Участок земли над шахтой Булкизе в Албании.

Крупные энергетические компании вроде Shell, BP и Chevron вступают в консорциум, основанный Геологической службой США и Колорадским горным училищем, чтобы изучать «геологический» водород. Однако несколько амбициозных стартапов уже ведут поиски. HyTerra и Natural Hydrogen Energy собираются бурить скважины в Небраске и Канзасе, а Gold Hydrogen ищет водород в Австралии. Французские исследователи полагают, что его можно найти в старых угольных шахтах в регионе Эльзас-Лотарингия, и уже занимаются поисками. Разрешение на разведку месторождений природного (белого) водорода выдано компании TBH2 Aquitaine сроком на 5 лет Министерством энергетического перехода Франции 3 декабря 2023 г.

По данным исследования Геологической службы США, в подземных резервуарах по всему миру содержится около 5 триллионов тонн водорода. Руководитель проекта Джеффри Эллис сообщил, что большая часть этого водорода, вероятно, недоступна, но даже если добывать несколько процентов, это всё равно покроет весь прогнозируемый спрос на десятилетия вперед. Об этом же пишет Файненшнл Таймс со ссылкой на американских геологов. Сегодня потребление H₂ составляет примерно 90 млн в год, и это преимущественно «серый» водород.

Вполне возможно, что уже в самом ближайшем будущем человечество начнет 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 объемы экспорта водорода из России могут составить от 15 млн до 50 млн тонн в 2050 году. Если исходить из приблизительных оценок поставки объемом 50 млн. тонн могут приносить России около $150 млрд. ежегодно.

Экс-советник президента Сергей Глазьев предложил правительству поддержать разработку технологий по прямой добыче водорода как самого дешевого 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 С. Глазьевым и поддержать», — дал поручение премьер министр РФ Мишустин вице-премьеру Александру Новаку и министру науки и высшего образования Валерию Фалькову.

Глазьев просит Мишустина включить в утвержденную 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», — подчеркивает он.

Экс-советник президента пишет, что в России выявлено более 2 тыс. 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 ученые — 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».

Водородная дегазация планеты — явление выделения водорода в смеси с другими флюидными газами (чаще всего углеводородами, гелием и радоном) в рифтовых зонах, при извержениях вулканов, из разломов земной коры, кимберлитовых трубок, некоторых шахт и скважин. Во многих случаях землетрясения тектонического происхождения сопровождаются увеличением содержания водорода в воздухе на территории эпицентра и прилегающих площадях.

Как видно из схемы водородной дегазации, до поверхности Земли глубинный водород доходит в основном в виде углеводородов, воды и, лишь незначительная часть в виде 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 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 распространенную 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 тяжелые углеводороды, образуя вторую по распространению жидкость на Земле — нефть.

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

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

Вы знаете, что водород можно добывать из недр?

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.

Распределения концентрации водорода в приповерхностных отложениях в пределах «структуры дегазации» ( Южное Прибайкалье, АНО «Водородные технологии, 2017)

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

Наличие богатых железом ультраосновных и основных пород, особенно архейского фундамента, горные породы которого могут быть потенциальными источниками как радиолитического, так и гидролитического H₂.

Глубинные разломы фундамента, которые могут обеспечить миграцию и в благоприятных местах концентрацию диффузных источников H₂.

Существует коллекторский потенциал на глубине на границе между фундаментом и осадочными породами. Например, природный газ из скважины Mt Kitty 1 (бассейн Амадеус) содержит 11 мол.% H₂ в трещиноватом магматическом фундаменте, непосредственно перекрытом осадочными породами.

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 силлы являются препятствием для выхода водорода, своего рода экранами, поэтому пробурив такой слой, высока вероятность найти значительное месторождение водорода, как в Мали.

Систематизация источника миграции накопления для разведки водорода в традиционных и нетрадиционных условиях. Содержание Н₂ в нефтяных месторождениях (1 и 2), вероятно, дополняется водородом из абиогенных источников (3). H₂a = адвективная миграция и H₂d = диффузионная миграция.

Аномальная скважина в Борисоглебске на северном фланге Октябрьского водородного поля, где был получен приток Н₂ в 32,1%

Офиолиты, представляют собой фрагменты древней океанической коры, сохранившиеся в складчатых областях континентальной коры, встречающиеся по всей планете. На многих участках офиолитов в разных частях мира были обнаружены места, где водород выходит на поверхность. Но внутри шахты водород вырывается сквозь дренажные бассейны, превращая их в настоящие джакузи, которые “кипят” почти чистым водородом.

Водород полуострова сокровищ

Крым является частью Крымско-Кавказской горной системы, поэтому ярко выражены самые разные проявления водородной дегазации от многочисленных источников минеральных вод и углеводородов до грязевых и палеовулканов.
С давних времен в Тавриде добывали нефть и газ. При археологических раскопках возле Керчи в 1937-1939 годах была обнаружена амфора IV–V вв. н. э. 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. Это единая по геологическому строению свита. Мощность майкопских отложений в Крыму достигает 3000м и в них содержится громадное количество высококачественной крымской нефти. Нигде в мире нет таких мощных майкопских отложений, как на Керченском полуострове, Черном и Азовском морях.

В большом объеме исследований доказана связь газовых морских факелов Черного моря с глубинными источниками дегазации недр. По мнению В.И. Лысенко (МГУ, 2007 год), именно глубинные разломы на дне Черного 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 находится на уровне более 3%.

№ реестр	Место положения	Литология водовмещающих пород	Глубина залегания кровля	Водород в хим. составе попутного газа
3-ДЖ	Джанкойский район с.Предмостное 4км З	Песчаники, мергели, известняки	1626-1670 м	3,89 %
18-Дж	Джанкойский район, с.Славянское, 2,5 км ЮВ	Аргиллиты, глины, алевролиты, базальные отложения	2875 м	3,19 %
1- Пм	Первомайский район с.Снигиревка 2,5км СЗ	Песчаники с прослоями алевролитов	4085 м	1,23 %
16-Фд	г. Феодосия с.Наниково 1,0 км ЮЗ	Конгломераты, песчаники	1388 м	1,59 %

Таблица 1 Выдержка из реестра термальных источников Крыма

Микробы, поедающие водород

По словам Джеффа Эллис, геохимика программы энергетических ресурсов Геологической службы США, водород трудно обнаружить из-за живущих в почве микробов, которые его поглощают. В число организмов, питающихся водородом, входят caminibacter и aquifex, а микроб hydrogenobacter thermophilus, открытый в Японии, предпочитает водород из горячих источников.

Перспективный метод добычи водорода

Водородная мембрана

Задача выделения водорода в чистом виде из смеси газов может быть решена через создания 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*см² и низкая энергия активации около 0,3 электронвольта. Протоны представляют собой промежуточный случай между электронами, которые могут легко туннелировать через атомарно тонкие барьеры ²⁴.

Ученым 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 ученые 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 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 4% от всей земной воды) содержится 2,24•10¹¹ ТВт•ч потенциальной водородной энергии. Для сравнения, вся электроэнергия, потребляемая человечеством в течение года 2,28•10⁸ ТВт•ч — в 1000 раз меньше.

Научившись улавливать 1-3% от объема водорода ежегодно улетающего с нашей планеты в космос, можно обеспечить абсолютно экологичной энергией всё человечество на современном уровне, вместо всех существующих сегодня источников электроэнергии.