Залежи газообразного водорода, которые естественным образом формируются в земной коре, могут помочь человечеству в декарбонизации. По словам экспертов, сейчас задача состоит в том, чтобы найти эти залежи и разработать наиболее эффективный способ их добычи.
Учёные долгое время считали, что водород не накапливается под землёй, но открытия, сделанные за последние 15 лет, опровергли эту теорию. (Изображение предоставлено Мэрилин Перкинс)
В1987 году рабочий закурил сигарету у новой скважины недалеко от деревни Буракебугу в Мали.
Но как только он это сделал, в колодце прогремел взрыв. Теперь мы знаем, что это произошло из-за ранее не обнаруженных облаков горючего водорода, поднимавшихся из газового резервуара под шахтой.
Скважину законсервировали и временно забросили. Затем, в 2011 году, нефтегазовая компания Petroma (которая позже стала называться Hydroma) вскрыла её, чтобы проверить, можно ли добывать водород с целью получения прибыли. К 2012 году компания обустроила скважину, чтобы вырабатывать электричество для Буракебугу, и деревня до сих пор использует этот водород для получения энергии.
Скважина Буракебугу — это первая и единственная в мире продуктивная водородная скважина. Смешанный с кислородом в топливных элементах водород — самая маленькая и простая из существующих молекул — может генерировать электричество без выбросов парниковых газов, а в качестве побочных продуктов будут только тепло и вода. Это делает водород экологически чистым источником энергии, и ожидается, что спрос на него вырастет в пять раз к 2050 году для производства микроэлектроники, обеспечения промышленности, а также для питания транспортных средств и зданий.
Водород легче воздуха и очень реактивен, поэтому учёные долгое время считали, что он не накапливается в земной коре, как ископаемое топливо. Но открытие в Буракебугу, наряду с более поздними находками, полностью изменило эту парадигму.
Компании, занимающиеся разведкой полезных ископаемых, сейчас стремятся найти месторождения природного водорода, также известного как «золотой» водород. Чтобы помочь им в этом, учёные определили ключевые «ингредиенты», необходимые для формирования таких скоплений. Благодаря этим знаниям набирают популярность методы, которые раньше считались неосуществимыми, — методы, позволяющие увеличить или имитировать естественное образование водорода, как сообщили эксперты Live Science.
«Чем больше мы ищем, тем больше находим», — сказал Джеффри Эллис, геохимик-нефтяник из Геологической службы США, в интервью Live Science.
Смена парадигмы
Водород — это источник энергии, но он также является важнейшим компонентом удобрений, очищенной нефти и ракетного топлива. Промышленность производит почти весь водород путём нагревания природного газа с паром для получения смеси водорода и угарного газа, из которой можно извлечь водород.
Этот метод позволяет получать «серый» водород, при этом в атмосферу ежегодно выбрасывается около 1 миллиарда тонн (920 миллионов метрических тонн) углекислого газа, что эквивалентно 2,4% глобальных годовых выбросов. Теоретически возобновляемые источники энергии могут заменить природный газ для производства «зелёного» водорода, в то время как «голубой» водород производится из ископаемого топлива, но с улавливанием углерода, то есть углерод не попадает в атмосферу. Но в совокупности они составляют лишь малую долю мирового производства водорода.
«Водород — это чистый источник энергии, но способ его получения имеет решающее значение», — сказал Live Science Крис Баллентайн, профессор геохимии Оксфордского университета.
Однако новый источник водорода может сократить выбросы углекислого газа в промышленности, поскольку, как оказалось, под землёй может накапливаться огромное количество водорода. Учёным давно известно, что горные породы в земной коре выделяют водород, но ранее эксперты пришли к выводу, что газ не может накапливаться в резервуарах, поскольку в нефтяных и газовых скважинах его концентрация крайне мала.
Открытие, сделанное в Мали, опровергло эту теорию. Исследователи поняли, что места, где компании ведут добычу нефти и газа, не являются лучшими для поиска водорода.
Огромные залежи, которые ещё предстоит найти
Открытие в Мали положило начало всемирной охоте за залежами водорода. Но прежде чем геологи приступят к дорогостоящим проектам по разведке, им нужно понять, сколько водорода может скрываться под землёй.
Согласно новым оценкам, это ошеломляющее количество. За последний миллиард лет в континентальной коре Земли образовалось достаточно водорода, чтобы удовлетворить текущие потребности общества в энергии на 170 000 лет, как показало недавнее исследование Баллентайна и его коллег. Хотя большая часть этого водорода попала в атмосферу, эта цифра является «отправной точкой для понимания того, что образование водорода в земной коре имеет большое значение», — сказал Баллентайн.
По другим оценкам, эта цифра в два раза больше, чем в статье Баллентайна. Офиолиты — это фрагменты океанической коры, которые были надвинуты на континентальную кору. По некоторым оценкам, эти остатки океанической коры могут производить столько же водорода, сколько и континентальная кора, говорит Баллентайн.
Но сколько этого водорода осталось в земной коре? В 2024 году Эллис и его коллеги подсчитали, что на планете содержится 6,2 триллиона тонн (5,6 триллиона метрических тонн) водорода, что примерно в 26 раз превышает количество нефти известной нам как залегающая в недрах. Где находятся эти запасы водорода, в значительной степени неизвестно. Большинство из них, скорее всего, находятся слишком глубоко или слишком далеко от берега, чтобы до них можно было добраться, а некоторые месторождения могут быть слишком малыми, чтобы их стоило разрабатывать. Однако исследователи подчеркнули, что всего 2% от общего объёма водорода могут заменить нынешние ископаемые виды топлива на 200 лет.
"Потенциал, который находится там, внизу, очень, очень велик", - сказал Эллис. Более того, природный водород, в отличие от того, который производится промышленным способом, поставляется со встроенным хранилищем, потому что он находится в земной коре. По словам Эллиса, он также оставляет гораздо меньший углеродный след, чем произведенный водород, при этом выбросы образуются только в результате добычи.
Ингредиенты
В январе 2025 года Эллис и его коллеги опубликовали карту, на которой показано, где могут находиться водородные резервуары в 48 штатах США. Исследователи использовали данные о гравитации и магнитных сигналах, чтобы оценить состав горных пород в земной коре и определить, где под землёй мог скопиться водород.
«Это была первая попытка составить карту такого типа», — сказал Эллис.
На этой карте Геологической службы США показано, где в 48 штатах США могут находиться водородные резервуары. Темно-синим цветом обозначены места, где вероятность обнаружения водорода наиболее высока. (Изображение предоставлено Геологической службой США)
Исследователи оценили вероятность наличия продуктивных водородных залежей, известную как перспективность, на основе шести геологических требований, которые определяют наличие водорода в земной коре и его удержание там. На карте перспективность варьируется от 0 до 1, где 0 означает, что водорода, скорее всего, нет, а 1 — что водород, скорее всего, присутствует.
Для формирования водородного резервуара необходимо, чтобы в регионе было много грунтовых вод и пород, содержащих водород. Из-за нехватки воды водород может образовываться только в верхних 10 милях (16 километрах) земной коры, Оливер Уорр, доцент кафедры геохимии Оттавского университета, рассказал Live Science.
Лучшими породами для получения водорода являются породы, богатые железом, которые генерируют водород в результате «реакций гидратации», когда вода вступает в реакцию с породой. Другими хорошими источниками водорода являются породы, богатые ураном и торием, которые при распаде радиоактивных элементов выделяют альфа-частицы. Эти альфа-частицы могут расщеплять воду на кислород и водород — процесс, известный как радиолиз, говорит Уорр.
К породам, богатым железом, относятся базальт и габбро. Мантия Земли, слой под земной корой, нагревает грунтовые воды, образуя пар, который вступает в реакцию с железом и выделяет водород. К породам, богатым ураном и торием, относятся граниты, которые могут вызывать радиолиз воды.
Третье требование заключается в том, чтобы исходные породы были очень, очень горячими — от 480 до 570 градусов по Фаренгейту (от 250 до 300 градусов по Цельсию), что гарантирует высокую скорость реакции, говорит Эллис.
В-четвёртых, в регионе должны быть породы-коллекторы, способные удерживать водород после его добычи и миграции через земную кору. По словам Эллиса, породы-коллекторы обычно представляют собой пористые песчаники, но могут быть и другие типы пород, если они сильно раздроблены.
Пятым критерием для формирования водородного резервуара является наличие непроницаемой «крышки», которая удерживает газ внутри резервуара. «Что-то вроде сланца или, может быть, соли было бы идеальным вариантом для покрытия пористой породы», — сказал Эллис. По его словам, важно, чтобы «крышка» существовала в момент добычи водорода, иначе газ будет улетучиваться в атмосферу.
Шестое и последнее условие: там, где образуется и накапливается водород, должна быть минимальная микробная активность, поскольку микробы потребляют водород, сказал Уорр.
По словам Баллентайн, эти шесть условий, или составляющих, встречаются на всех континентах. В настоящее время водородные компании бурят разведочные скважины в основном в Срединно-Атлантическом хребте — там, где Северная Америка начала раскалываться, но в итоге не смогла разделиться на части 1 миллиард лет назад — и где много богатых железом пород.
Забегая вперёд
Исследователи также изучают месторождения водорода в Омане, где есть офиолиты. Геологи из Университета Колорадо реализуют пилотный проект в этой стране, чтобы проверить возможность «стимулированной добычи водорода», как сказал Эллис.
Стимулированное производство водорода основано на знаниях учёных о геологии процессов образования и накопления водорода. Оно предполагает закачку воды в земную кору для запуска реакций гидратации или радиолиза.
По словам Эллиса, год назад представители водородной промышленности скептически относились к тому, что стимулированное производство водорода когда-либо станет реальностью. Но теперь, по его словам, «я вижу большие перемены».
Если мы сможем найти природный водород и извлечь его, этот газ поможет сократить выбросы в самых разных отраслях. Например, по словам Уорра, в шахтах содержится большое количество водорода, потому что именно там люди бурят глубже всего в земную кору, поэтому этот газ можно использовать для обеспечения работы шахт.
Природный водород также может сократить выбросы в таких отраслях, как производство удобрений. «Если мы сможем заменить водород, получаемый из углеводородов, чистым водородом, то сможем очень быстро добиться значительных изменений», — сказал Баллентайн.
Природный водород не решит проблему климатического кризиса, но может снизить некоторые риски. «Это должна быть одна из многих стратегий, — сказал Уорр. — Нам просто нужно понять, в чём заключается истинный потенциал и как его лучше использовать».
Некоторые из ключевых вопросов, которые необходимо решить компаниям, заключаются в следующем: оправдают ли преимущества разработки природных месторождений водорода, когда мы их обнаружим, затраты на строительство производственных предприятий на месте или на транспортировку газа в отрасли, которые в нём нуждаются.
«Если вы находитесь в отдалённом районе и находите действительно крупное газовое месторождение, добыча может оказаться невыгодной, потому что затраты на доставку водорода на рынок слишком велики, — сказал Баллентайн. — Приходится чем-то жертвовать».