Hydro tự nhiên sẽ cách mạng hóa tương lai carbon thấp?

Hydro từ đâu ra?

Thế giới hiện đại đang chuyển mình và biến đổi khí hậu trở thành mối quan tâm hàng đầu, chưa bao giờ ngành dầu khí, năng lượng chịu sức ép chuyển đổi sang năng lượng sạch và xanh như hiện nay. Có thể nói hiện tại hydro chiếm vị trí ưu tiên hàng đầu, là lực chọn đầu tiên cho năng lượng xanh. Nhưng thế giới sẽ lấy hydro ở đâu ra? Hay công nghệ hiện đại sẽ giải quyết tất cả? Liệu có thể đào bới, “múc” hydro từ dưới đất lên như hydrocarbon và các dạng nhiên liệu mà thế giới từng biết đến hay không?

Hydro xuất hiện trong nước muối địa nhiệt. Ảnh: GettyImage.

Theo các nhà nghiên cứu khoa học, quá trình tạo ra hydro trong tự nhiên vẫn chưa được hiểu đầy đủ, mặc dù trên thực tế hydro được tìm thấy trong phạm vi rộng lớn các môi trường địa chất – trong lớp vỏ đại dương và lục địa, khí núi lửa và hệ thống thủy nhiệt.

Cuộc tranh luận hiện nay tập trung vào việc liệu hydro xanh, được tạo ra bằng cách tách nước thông qua điện phân, sẽ cạnh tranh với hydro xanh, được tạo ra khi khí tự nhiên được tách thành hydro và CO2, đồng thời carbon được thu giữ và lưu trữ, hay hydro xám được tạo ra từ khí tự nhiên, không thu giữ carbon. Tuy nhiên, một nguồn đầy hứa hẹn – hydro xuất hiện tự nhiên hoặc địa chất – phần lớn đã bị bỏ qua vì người ta cho rằng nó hiếm hoặc quá khó khai thác.

Hội nghị hydro tự nhiên đầu tiên trên toàn thế giới, H-Nat 2021, diễn ra vào tháng 6/2021, đã thu hút hơn 500 nhà địa chất, môi trường và các nhà đầu tư tiềm năng. Trong 2 ngày, các diễn giả đã trình bày chi tiết về các khía cạnh khác nhau của hoạt động thăm dò, phát triển, sản xuất hydro địa chất (chẳng hạn như tinh chế và tách), lưu trữ, vận chuyển và sử dụng hydro, cũng như các yếu tố “bầu trời xanh” hợp pháp liên quan đến thăm dò và lưu trữ hydro.

Gần đây, Cơ quan Khảo sát địa chất Mỹ (USGS) chỉ ra rằng có thể có đủ hydro tự nhiên dưới mặt đất để cung cấp nhu cầu nhiên liệu lỏng của nhân loại trong hàng trăm năm. Bất chấp những tiến bộ của chúng ta trong hiểu biết về hydro tự nhiên, những câu hỏi then chốt vẫn tồn tại: Liệu các mỏ hydro tự nhiên thương mại có thể được phát hiện hay không? Nếu vậy, chúng sẽ trông như thế nào? Chúng có giống với các mỏ dầu khí không? Hydro tự nhiên sẽ cách mạng hóa tương lai carbon thấp của chúng ta?

Với mong muốn đem lại những thông tin mới nhất về dạng năng lượng xanh mới có thể được tìm thấy và khai thác trong tự nhiên, PetroTimes xin giới thiệu và cập nhật mới nhất về những diễn biến trong việc nghiên cứu loại nhiên liệu mới này, các quan điểm khoa học trong lịch sử, khi hydro tự nhiên đã bị bỏ qua do quan niệm sai lầm rằng nó hiếm khi xuất hiện trong tự nhiên cho đến khi hydro được các chính phủ đưa vào khung pháp lý ở nhiều nước, được các công ty năng lượng quan tâm thăm dò và khai thác như nguồn nhiên liệu quý giá của thế kỷ 21.

Sau đây là nghiên cứu của Philip J. Ball, Đại học Keele, Vương quốc Anh và Krystian Czado, nhà địa chất học tại Cơ quan Khảo sát Địa chất New South Wales, Australia, đăng trên Tạp chí Geoscientist ngày 1/3/2024.

Nghiên cứu khoa học

Theo các nhà khoa học, các nguồn hydro tự nhiên được biết đến hiện nay dường như là nguồn phi sinh học (nghĩa là nguồn không sống). Tuy nhiên, các cuộc thảo luận nhấn mạnh rằng hydro tự nhiên có thể được coi là có nguồn gốc sinh học hoặc phi sinh học, bởi vì các cách giải thích nguồn gốc có thể mang tính chủ quan và vẫn còn nhiều điều cần tìm hiểu về hydro và vi sinh vật.

Trong lịch sử, hydro tự nhiên đã bị bỏ qua do quan niệm sai lầm dai dẳng rằng nó hiếm khi xuất hiện trong tự nhiên – một quan điểm chiếm ưu thế mặc dù thực tế là từ đầu thế kỷ 20, các nhà địa chất học đã ghi nhận hydro tự nhiên, cả trong trầm tích và không trầm tích (đá lửa) môi trường địa chất, thường với khối lượng không đáng kể. Tuy nhiên, hydro tự nhiên không thu hút được sự quan tâm của các nhà thám hiểm cho đến gần đây. Câu chuyện đã thay đổi vào năm 2012 khi Hydroma Inc. (một công ty Canada trước đây gọi là Petroma Inc.) phát hiện tầng chứa nước giàu hydro ở Bourakébougou, Mali và hơn thế nữa, đã tìm cách đưa hydro tự nhiên lên bề mặt với số lượng thương mại. Sau đó, rõ ràng là chúng ta không thể bỏ qua hydro tự nhiên được nữa.

Sự hiểu biết của chúng ta về hydro tự nhiên đang tiến triển nhanh chóng, nhưng chúng ta thiếu hiểu biết chi tiết về cách hydro tự nhiên tích tụ và được lưu trữ dưới lòng đất. Hydro tự nhiên chủ yếu được hình thành thông qua hai cơ chế tái tạo tự nhiên và chiếm ưu thế: (1) quá trình ngoằn ngoèo của đá siêu mafic và mafic (ví dụ: peridotite), với sự tương tác của nước ở tầng dưới bề mặt tạo ra phản ứng giữa các khoáng chất như olivin, biotit và amphibole; và (2) sự phóng xạ của nước, nhờ đó đá giàu chất phóng xạ tách nước thành các nguyên tử thành phần của nó. Khí hydro sau đó có thể di chuyển để tích tụ trong các bẫy tương tự như các hệ thống dầu và khí tự nhiên, tích tụ trong các vết nứt đá hoặc có thể được giữ lại về mặt khoáng vật thông qua sự hấp phụ lên các khoáng sét hoặc trong các thể vùi chất lỏng – hoặc sự kết hợp của những điều này. Các nguồn hydro bổ sung cũng được đề xuất như khử khí hydro sâu (nguyên thủy) từ lớp phủ hoặc lớp vỏ trái đất (Vitaly Vidavsky, Đại học Curtin), đá nguồn quá trưởng thành (John Hanson, độc lập) và hoạt động sinh học.

Nhiều bài thuyết trình tại hội nghị đã giải quyết vấn đề thăm dò hydro tự nhiên bằng cách giả định “cách tiếp cận dựa trên trò chơi” – sửa đổi cách tiếp cận hệ thống dầu khí truyền thống để trở thành cách tiếp cận hệ thống hydro. Kịch bản tương tự nhất với dầu khí là trường hợp tích tụ hydro tự nhiên bị giữ lại về mặt cấu trúc. Các khu vực mục tiêu phải có nguồn (trong trường hợp này là đá mafic hoặc đá phóng xạ có sự hiện diện của nước), sự di chuyển, hồ chứa, bẫy và lớp bịt kín (đá bùn giàu halit hoặc đất sét), cũng như có thể có các đặc điểm về thời gian và bảo quản phù hợp.

Xác lập biên giới mới

Hydro tự nhiên có thể đại diện cho một biên giới mới trong quá trình chuyển đổi năng lượng, nhưng các kỹ sư và nhà khoa học địa chất trên toàn cầu trước tiên phải nỗ lực để hiểu loại khí có giá trị tiềm năng này được sản xuất ở đâu và như thế nào cũng như làm thế nào để đưa nó ra thị trường với giá rẻ và an toàn. Kích thước trung bình của một nguồn tài nguyên hydro tự nhiên là gì? Dấu chân carbon của việc khám phá và sản xuất nó là gì? Nguồn cung cấp hydro tự nhiên có thể khử carbon nguyên liệu hydro xám hiện có không? Chi phí thăm dò, phát triển và sản xuất là bao nhiêu? Bằng cách trả lời những câu hỏi như vậy, chúng ta sẽ hiểu rõ hơn về sự đóng góp của carbon tự nhiên đối với tương lai ít carbon của chúng ta.

Hydro tự nhiên được tìm thấy trong nhiều môi trường địa chất – vỏ đại dương và lục địa, khí núi lửa và hệ thống thủy nhiệt

Hydro tự nhiên tại lưu vực Sao Francisco, Brazil. Ảnh: GettyImage.

Một số bài thuyết trình tại hội nghị được dành riêng cho trường hợp nghiên cứu ở Mali, nơi hydro tự nhiên lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1987 trong quá trình khoan giếng nước sâu gần 100 mét cho làng Bourakébougo (Denis Briere, Chapman Petroleum Engineering Ltd., Canada). Tuy nhiên, chỉ đến năm 2012, Hydroma Inc. mới bắt đầu khoan và thử nghiệm hydro trong môi trường được kiểm soát và phát hiện ra rằng khí thải ra từ hồ chứa có 98% là hydro.

Một số bài thuyết trình tại hội nghị trình bày chi tiết về sự xuất hiện và thăm dò hydro tự nhiên (cũng như các hoạt động pháp lý liên quan) trên khắp nước Úc (ví dụ: các bài nói chuyện của Emanuelle Frery, CSIRO, Úc; Chris Boreham, Khoa học địa chất Úc; Sandra Menpes, SANTOS, Úc ), Brazil (ví dụ: Maria Rosanne, ENGIE, Pháp), châu Âu (ví dụ: Jon Gluyas, Đại học Durham, Vương quốc Anh; Isabelle Moretti & Kayad Moussa; Eric Gaucher), Mali, (Denis Briere), Maroc (ví dụ: Stephane Aver, HYNAT, Thụy Sĩ & Mohammed Ghazali, Bộ Năng lượng, Mỏ và Môi trường, Morrocco) và Hoa Kỳ (ví dụ Viacheslav Zgonnik). Các cuộc thảo luận này đã chứng minh rằng hydro tự nhiên được quan sát thấy ở nhiều môi trường địa chất khác nhau, bao gồm các rạn nứt, các bồn sau cung, các bồn nội địa, các khu vực cratonic (thường có tuổi Tiền Cambri), bên trong các hệ tầng sắt dải hoặc các đới khoáng hóa và các mỏ quặng, sống núi giữa đại dương, và các thiết lập tạo sơn.

Hydro tự nhiên thường được tìm thấy cùng với nước muối cũng chứa heli, carbon dioxide, nitơ và metan. Có sự xuất hiện rõ ràng của hydro trong các mỏ đồng ở Ontario, Canada và các mỏ vàng, bạch kim và crom ở Nam Phi (Eric Deville), và trong các mỏ địa nhiệt ở Iceland (Isabelle Moretti & Kayad Moussa). Một cuộc nói chuyện trình bày chi tiết về việc giám sát lâu dài lưu vực Sao Francisco, Brazil, nơi hydro tự nhiên thấm với khối lượng vượt quá vài trăm kg mỗi ngày trên mỗi km2 (Maria Rosanne).

Hình thành một lĩnh vực hoàn toàn mới

Khả năng khai thác hydro tự nhiên là rất lớn, nhưng chỉ khi chúng ta có thể hiểu được hydro tự nhiên được tạo ra như thế nào, nó bẫy như thế nào hoặc liệu nó có bị giữ lại hay không, hoặc nó thấm ra bề mặt như thế nào (chẳng hạn như thông qua di chuyển tiến lưu so với khuếch tán). Những điểm chính nổi lên từ các cuộc thảo luận là hydro tự nhiên thường xuyên xuất hiện ở những khu vực chưa được ngành công nghiệp dầu khí khám phá và nền tảng khoa học cho hoạt động thăm dò của nó còn rất non nớt.

Những quan sát trước đây về hydro tự nhiên hầu hết là ngẫu nhiên, một tác dụng phụ của các giếng địa nhiệt, nước và dầu khí được khoan với các mục tiêu khác. Do đó, những giếng này khó có thể được đặt ở vị trí tối ưu để thăm dò và sản xuất hydro, vì vậy vẫn còn những câu hỏi quan trọng.

Khía cạnh pháp lý

Trên phạm vi toàn cầu, các nhà thám hiểm hydro tự nhiên đang được tổ chức và xin giấy phép thăm dò ở nhiều nơi trên thế giới. Tuy nhiên, trong khi các công ty đứng sau hoạt động thăm dò hydro xanh có thể trông cậy vào sự hỗ trợ và trợ cấp của chính phủ cho các dự án của họ thì các nhà thám hiểm hydro tự nhiên lại không được nhiều người yêu thích. Một số hỗ trợ lập pháp đã được đưa ra ở Nam Úc, nơi 1/3 diện tích bang đã có giấy phép thăm dò hydro tự nhiên, nhưng ở những nơi khác, khung pháp lý chưa rõ ràng và bối cảnh đang phát triển nhanh chóng.

Andrea Rigal-Casta (Geo Avocats, Pháp) và Jeffrey Haworth (Chính phủ Tây Úc) lưu ý rằng không có quy định hiện hành nào tính đến việc thăm dò và sản xuất hydro tự nhiên. Ví dụ, ở Anh, hydro không được quy định cụ thể mà thay vào đó được quy định theo Đạo luật Khí đốt 1986, trong khi ở EU, hydro được quy định trong luật khai thác mỏ hoặc khí đốt hiện hành. Tại EU, nơi môi trường chính trị phức tạp và hoạt động khoan thường không được các chính trị gia hoặc cộng đồng nhìn nhận một cách tích cực, cũng như ở những nơi khác, luật hydrocarbon hiện hành đang bị bãi bỏ và những thay đổi chính sách này đang vô tình tác động đến hoạt động thăm dò hydro.

Sự thiếu hiểu biết hiện nay về hydro tự nhiên là yếu tố chính dẫn đến sự nhầm lẫn này. Andrea Rigal-Casta lập luận rằng hydro tự nhiên là nguồn năng lượng từ các nguồn địa chất hoặc tự nhiên (có thể tái tạo), và do đó không phải là khoáng chất hay hydrocarbon. Mặc dù hoạt động thăm dò hydro có những điểm tương đồng với hoạt động thăm dò dầu khí nhưng cần phải sửa đổi nhiều luật hiện hành.

Nhìn chung, luật pháp liên quan đến hydro và các nguồn năng lượng tái tạo khác đòi hỏi một cách tiếp cận mới. Việc sửa đổi các quy luật thăm dò hiện có hoặc tạo ra các quy luật thăm dò mới sẽ quyết định tốc độ khai thác hydro tự nhiên.

Hydrogen tự nhiên

Hydro tự nhiên rõ ràng là phổ biến hơn so với suy nghĩ trước đây. Với rất nhiều sự xuất hiện được ghi nhận của hydro tự nhiên trên khắp thế giới.

Trong khi các nhà khoa học vẫn đang tranh luận liệu hydro có được lưu trữ trong địa chất hay không, muối hoặc halit được công nhận là thạch học bịt kín hữu hiệu và có thể các loại đá lửa (như diorit ở Mali) cũng có thể hoạt động như hải cẩu. Đá giàu đất sét cũng có thể đóng vai trò là rào cản đối với sự di chuyển của hydro.

Đối với ngành công nghiệp hydro mới nổi, cần có những nghiên cứu sâu hơn để theo dõi, ghi lại và thậm chí khoan các vết rò rỉ hydro và các bể chứa tiềm năng. Hơn nữa, để có thể sản xuất hydro và lưu trữ địa chất an toàn, cần phải phát triển công nghệ.

Michael Webber (ENGIE, Pháp) đã lập luận, “hydro tự nhiên có khả năng gây ra sự gián đoạn lớn nhất đối với hệ thống năng lượng toàn cầu trong những thập kỷ tới”. Thời gian chắc chắn sẽ trả lời!