Сколько водорода скрыто под землей?

В 1990-х годах геохимик Барбара Шервуд Лоллар спустилась в шахту Кидд-Крик на севере Онтарио, которая прорезает более трех километров в древних породах Северной Америки. Ее команда обнаружила там воду, изолированную под землей более миллиарда лет. Эта древняя рассольная среда оказалась домом для живых микробов, питающихся водородом, который образуется в результате реакций между водой и горными породами.

Спустя десятилетия Шервуд Лоллар, ныне геохимик из Университета Торонто, вновь изучила данные своей команды о водороде, чтобы определить, достаточно ли его в шахте для использования в качестве полезного источника безуглеродного топлива. Она отмечает: «Если мы сможем найти умные решения для его добычи и использования, это станет значительным успехом для этой зарождающейся экономики».

Хотя водородное топливо обещает стать универсальным источником энергии, его традиционное производство часто сопровождается значительными выбросами парниковых газов и требует больше энергии, чем содержится в самом газе. Возможность использования готовых подземных резервуаров, так называемого «геологического водорода», кардинально изменила бы эту ситуацию.

По всему миру начался активный поиск этого вещества, которое образуется под землей при расщеплении молекул воды в результате химических реакций с богатыми железом породами или, как в случае с Кидд-Крик, за счет радиоактивного распада других элементов. В этой «охоте» участвуют десятки стартапов, включая австралийскую компанию HyTerra и Koloma, поддерживаемую Биллом Гейтсом, которые исследуют Средний Запад США в поисках древних океанических пород, связанных с производством водорода.

По оценкам исследователей Геологической службы США, в земной коре ежегодно образуются триллионы тонн H₂; если бы даже небольшая часть этого объема могла быть добыта, это могло бы удовлетворить мировой спрос на водород на протяжении веков. Однако пока поиски не принесли значительных коммерческих результатов. Никто еще не сообщал об обнаружении экономически выгодного месторождения газа, а общедоступные данные о находках остаются ограниченными, поскольку компании конкурируют за позиции и стремятся привлечь инвестиции.

В шахте Кидд-Крик Шервуд Лоллар и ее коллега Оливер Уорр использовали свои многолетние данные о водороде для новой оценки его потенциала. Анализируя информацию, собранную из 35 скважин в шахте за более чем десятилетие, они обнаружили, что каждая скважина стабильно выделяет в среднем восемь килограммов водорода в год. Экстраполируя эти данные на более чем 14 000 скважин в Кидд-Крик, получается, что около 140 метрических тонн этого газа ежегодно выходит из вентиляционных отверстий шахты, оставаясь неиспользованным.

Хотя этот объем, опубликованный ранее в этом году в журнале PNAS, не является глобально значимым, Шервуд Лоллар считает, что если весь водород будет уловлен, это обеспечит как минимум скромный источник энергии – возможно, достаточный для питания значительной части операций самой шахты. Это стало бы ценной местной демонстрацией того, что геологический водород действительно может быть использован на практике, отмечает она.

Результаты из Кидд-Крик подкрепляют «растущие доказательства того, что естественное образование и миграция водорода являются подлинными геологическими процессами», — говорит Лоран Трюш, геохимик из Университета Гренобль-Альпы во Франции. В 2024 году его исследовательская группа сообщила, что не менее 200 метрических тонн газа ежегодно выходят из хромовой шахты Булкиза в Албании. «Основная задача состоит не в доказательстве существования природного водорода, а в демонстрации его экономически выгодной и надежной добычи в промышленных масштабах», — подчеркивает Трюш.

Однако доказательство коммерческой жизнеспособности не обязательно требует обнаружения «золотой жилы». Исследователи и стартапы также изучают возможность стимулирования производства водорода путем закачки воды, тепла или катализаторов в реактивные породы, которые естественным образом производят этот газ. Более десятка таких проектов финансируются ARPA-E, которая поставила цель ускорить реакцию образования водорода в 10 000 раз — скорость, при которой, по оценкам ученых, стимулированное производство H₂ станет коммерчески выгодным.

Одно из подтверждений такой возможности появилось в этом году в горах Омана, где команда пробурила километровую скважину и закачала в породу 50 000 кубических метров воды. Когда спустя несколько месяцев скважину открыли, оттуда хлынул газ, на 90% состоящий из водорода. «Он пузырится газом», — заявила Джо Шеннон, геофизик из Университета Саутгемптона (Великобритания), участникам конференции Европейского союза геонаук в мае. (Шеннон отказалась от дальнейших комментариев, помимо представленной информации.)

Хотя Шеннон назвала это многообещающим признаком, она с осторожностью добавила, что остается множество неясностей. Самый важный вопрос прост: образовался ли водород, поднимающийся из скважины, в результате стимуляции, или он присутствовал там изначально?