Природный водород Московского осадочного бассейна
Природный водород Московского осадочного бассейна
Аннотация
Целью статьи является анализ отечественного ресурсного потенциала и возможности локализации местоскоплений природного водорода на фоне состояния водородной энергетики и включения природного водорода в число полезных ископаемых России. Сходство основных геологических характеристик строения Московского осадочного бассейна как части Восточно-Европейской платформы со строением древних Африканской и Австралийской плит дают основания использовать геологическую ситуацию, связанную с разрабатываемыми месторождениями природного водорода в Мали и месторождения и в Австралии, для прогнозирования перспектив обнаружения залежей природного водорода в качестве аналогов. Неоспоримым преимуществом природного водорода перед получаемым в промышленности водородом является низкая себестоимость, которая позволяет надеяться, что сможет компенсировать высокие расходы, связанные с транспортировкой и хранением этого ценного полезного ископаемого.
1. Введение
Смысл энергетической политики состоит в получении максимального количества энергии с минимальными издержками. Для этого ведется постоянный поиск новых способов получения энергии, новых подходов и принципов организации производства. Одним из перспективных векторов развития отрасли на сегодня является переход на использование водорода . Водородная энергетика представляет собой стратегически значимое направление эволюции мировой энергетической системы. В последние годы она привлекает повышенное внимание исследователей и практиков, что обусловлено её потенциалом в контексте глобальных усилий по достижению углеродной нейтральности. По данным Statista в США на октябрь 2024 года общий объем инвестиций в эту сферу демонстрирует впечатляющий рост: было объявлено о прямых инвестициях в водородные проекты на сумму около 678 миллиардов долларов США до 2030 года. Из этой суммы 303 миллиарда долларов США были вложены в проекты, которые находились на объявленной стадии, 75 миллиардов долларов США — в уже реализованные проекты . Рост популярности водородной энергетики во многом обусловлен глобальной потребностью в экологически чистых источниках энергии, что особенно актуально в контексте современного энергоперехода.
Привлекательность водорода определяется рядом уникальных физико-химических характеристик:
- энергоёмкость: водород содержит 142 МДж/кг энергии, что в три раза больше, чем у нефти, в семь раз больше, чем у каменного угля и в четыре раза больше, чем у природного газа ;
- распространённость: водород является самым распространённым элементом во Вселенной, составляя около 75% от общей массы;
- универсальность применения: может использоваться в топливных элементах, газотурбинных установках, промышленном производстве, транспорте и даже медицине
;- технологические преимущества: возможность хранения в различных формах (газ, жидкость, гидриды).
Глобальное потребление водорода достигает 95 млн тонн в год и продолжает расти. По прогнозам, в некоторых отраслях на долю водорода будет приходиться до 30% будущих источников энергии, а к 2050 году мировой спрос на него вырастет более чем в пять раз
.При этом важно отметить, что не весь производимый водород является экологически чистым. На сегодняшний день около 95% всего водорода относится к категории «серого», получаемого из ископаемого топлива с высоким выбросом углекислого газа и только 5% приходится на «зеленый» водород, производимый с использованием возобновляемых источников энергии . Учитывая, что в этом случае водород не является первичным энергоносителем, то его извлечение из химических соединений требует большого количества электроэнергии, что создает значительные вызовы для отрасли в контексте глобальных целей по снижению углеродного следа и, по сути, сводит на нет все экологические и энергетические преимущества водорода . Кроме того, физические и химические свойства водорода создают ряд проблем при использовании , однако, уже сегодня найдены технические решения для большинства проблем: хранение водорода можно осуществлять в связанном виде; транспортировка может осуществляться, например, в виде аммиака . Несмотря на растущие инвестиции и технологический прогресс, водородная энергетика все еще находится на этапе становления, требуя дальнейших разработок в области снижения себестоимости производства и повышения эффективности хранения и транспортировки водорода.
Перспективной альтернативой может стать природный — геологический или «золотой» водород . Согласно последним исследованиям, произведенным Геологической службой США, результаты которых были опубликованы в декабре 2024 года, недра Земли содержат колоссальные запасы водорода, небольшой части которых хватит на удовлетворение энергетических потребностей всего человечества в течение двухсот лет. Как показал новый анализ, в породах и подземных резервуарах находится примерно 5,6 трлн тонн водорода, что в 26 раз больше известных залежей нефти (1,6 трлн баррелей весом около 0,15 тонны каждый) .
Целью статьи является анализ отечественного ресурсного потенциала, перспективы локализации местоскоплений природного водорода и возможное объяснение природы его образования.
Постановка задачи: в России в июле 2023 года: природный водород был официально включен в список полезных ископаемых России согласно приказу Росстандарта от 7 июля 2023 года №490-ст. Это изменение вступило в силу 1 августа 2023 года , . Новый статус водорода как самостоятельного полезного ископаемого открыл новые перспективы для исследований и разработок в этой области. Ранее водород воспринимался преимущественно как вторичный энергоресурс, но теперь появилась возможность рассматривать его как добываемое ископаемое топливо. Это создало правовую основу для его промышленной добычи. Ведутся активные исследования по оценке масштабов водородной дегазации недр и поиску перспективных участков для добычи.
Схема региональной тектоники Восточно-Европейской платформы
источник [14]; 1 – щиты: А – Балтийский, Б – Украинский, или Азово-Подольский; 2 – региональные поднятия: I – Тиманская гряда, II – Воронежский массив, III – Белорусский массив, IV – Волго-Уральская антеклиза; 3 – границы синеклиз; 4 – передовые прогибы: а – Предуральский, б – Преддонецкий, в – Предкарпатский; 5 – южная граница платформы; 6 – Урал, 7 – зона глубинных разломов, 8 – зоны развития траппов протерозойского возраста, 9 – зоны развития траппов нижнепалеозойского возраста
2. Методы и решения
Для решения поставленной задачи используется, как самый распространённый в геологии метод аналогий, основанный на использовании полученных результатов в сходных геологических условиях. В рамках этих исследований, перспективным представляется территория Московского осадочного бассейна, по совокупности геолого-геофизических данных и результатов бурения объединивший Московскую и Мезенскую синеклизы и Волго-Уральскую и Воронежскую антеклизы и расположенного в пределах древней Восточно-Европейской платформы (рис.1). Принципиальной особенностью геологического строения этой территории является наличие в осадочном разрезе пород трапповых формаций вендского и нижнедевонского возраста .
Мали. Первое в мире разрабатываемое месторождение природного водорода Бугу-1
источник [18]
Примеры самопроизвольных выходов водорода на Русской плите
источник [16]
Распространение пород трапповых формаций в пределах Московского осадочного бассейна
источник [15]; косой штриховкой выделены зоны распространения траппов нижнедевонского возраста, квадратной штриховкой – вендского возраста
Первым примером разрабатываемого месторождения водорода с дебитом чистого водорода (90–98%) является знаменитое месторождение в деревне Буракебугу, область Куликоро, Мали (рис. 2) , которое находится на древней Африканской плите. Это месторождение связано с долеритовыми силлами, то есть породами трапповых формаций, в качестве покрышки и водонасыщенными песчаниками в качестве коллектора, на достижение которых собственно и нацеливалась первая скважина. Интересен факт того, что в процессе более чем десятилетней эксплуатации этого месторождения, давление в скважине не падает, а наоборот, возросло на 10 процентов, что, видимо, дает основания полагать, что водород поступает не из резервуара, а является результатом генерации in situ по типу «геосинтеза» . Из описания этого месторождения природного водорода следует, что в пределах месторождения отсутствуют в том или ином виде источники углерода.
Вторым месторождением природного водорода является открытое компанией Gold hydrogen, ltd из Брисбана, Австралия на полуострове Йорк. Скважина Ramsey 1, находящаяся в пределах кратона Гаулер на Аделаидском рифте (рис. 5а), дала из плотных кембрийских песчаников формации Кулпара/Парара, перекрывающими древний фундамент, на глубине 240 м приток газов, содержащих 73,3% и более природного водорода, а на глубине 892 м в газах обнаружено 3,6% гелия. Скважина Ramsey 2 дала из тех же песчаников приток газов, содержащих до 95,8% водорода . Наличие раздельных притоков водорода и гелия свидетельствует об их различном генезисе: появление водорода выше по разрезу указывает на его локальную генерацию, не связанную с глубинными факторами, которые являются превалирующими для гелия . Вся территория полуострова Йорк характеризуется наличием выходов природного водорода на поверхность (рис. 5б). Кстати, зоны проявления водорода в скважинах так же свободны от присутствия углерода.
Южная Австралия: а – расположение лицензионного участка Gold hydrogen, Ltd.; б – выходы природного водорода на поверхность на полуострове Йорк
источник [20]
3. Возможная природа генерации водорода
После регистрации в 1982 году открытия №326: «Экспериментально установлено неизвестное ранее явление преобразования органического вещества осадочных пород под действием тектонических и сейсмических процессов земной коры, заключающееся в повышении карбонизации и генерирования углеводородов в результате механохимических реакций, возникающих под действием переменных механических напряжений» ; и затем развития этих результатов не только на органические вещества в работах Н.В. Черского и В.П. Царева , в литературе появились термины механохимических и тектонохимических реакций. При этом под тектоническими и сейсмическими процессами понимается так называемый «сейсмический шум» — это общее название для относительно постоянных вибраций земной поверхности, вызванных множеством причин, которые часто являются неинтерпретируемым или нежелательным компонентом сигналов, регистрируемых сейсмометрами. Принципиальной особенностью механохимических реакций является то, что сначала под действием переменных механических напряжений в минералах пород возникают внутрикристаллические дефекты, которые, диффундируя к поверхности зерен минералов, создают на ней энергонасыщенный слой радикалов, снижающий энергию Гиббса химических реакций, протекающих на поверхности матрицы пород в среднем на ∆G = 40-80 кДж/моль . В итоге реакции, термодинамически запрещенные при температуре ≤ 500ºС, происходят в геологической среде при «стандартных» условиях (Т = 25°С и Р = 1 атм) и сопровождаются большим тепловыделением. Последовательность преобразований, что очень важно, начинается с появления в результате распада воды водорода, который вступая в реакцию с углеродом или углеродсодержащими органическими и неорганическими соединениями генерирует углеводороды. Но, в случае дефицита углерода, в недрах создается генератор природного водорода.
4. Обсуждение
Все перечисленные факторы, обнаруженные в связи с месторождением природного водорода в Мали и на юге Австралии, можно обнаружить и в условиях Московского осадочному бассейна, в зонах, где отсутствуют источники углерода, то есть практически вся территория за исключением территорий, связанных с Подмосковным угольным бассейном и спорадическими органогенными постройками ордовикского времени и т.д., где, что очевидно, имеются источники углерода, и скорее следует ожидать тектонохимическую генерацию углеводородов , . Отмечается приуроченность этих проявлений к зонам распространения пород трапповых формаций таких как Московский регион, Воронежская область (рис. 4). Кстати, к подобным же выводам, но своим путем пришел и В.П. Полеванов . Необходимо отметить, что закартированные самопроизвольные проявления водорода являются не результатом систематических исследований по всей территории, а, к сожалению, только случайно обнаруженными энтузиастами. Можно с уверенностью утверждать, что такие же очаги проявления природного водорода можно ожидать и в других зонах распространения пород трапповых формаций при проведении целевых геологоразведочных работ.
5. Заключение
На основании вышесказанного и наблюдаемого массового выхода водорода на поверхности в пределах территории Московского осадочного бассейна, можно заключить, что наблюдается генерация водорода, имеющего тот же механизм, что и в месторождении в Мали и на юге Австралии.
Вряд ли можно ожидать образования значительных местоскоплений природного водорода наподобие углеводородных. Видимо зоны генерации природного водорода в пределах платформенных территорий будут иметь ограниченное распространение, обусловленное границами реализации тектонохимического реактора, но зато эти зоны будут существовать до тех пор, пока будут сохраняться геологические условия их образования.
Неоспоримым преимуществом природного водорода перед получаемым в промышленности водородом является низкая себестоимость, которая позволяет надеяться, что сможет компенсировать высокие расходы, связанные с транспортировкой и хранением этого ценного полезного ископаемого.