Uderz w skałę, tryśnie wodór. Także w Polsce

Skorupa ziemska jest skarbnicą skał, minerałów i surowców, które od zarania dziejów tworzą fundament naszej cywilizacji. Do niedawna wydawało się jednak, że w tym skarbcu praktycznie nie ma naturalnego wodoru, który gromadziłby się w warstwach geologicznych w formie cząsteczek H2 i nadawał do wykorzystania od razu po wydobyciu. Dlatego musieliśmy – i wciąż musimy – wytwarzać go w drogich, skomplikowanych i energochłonnych instalacjach.

Wodór, najlżejszy i najpowszechniejszy pierwiastek chemiczny we Wszechświecie, jest od dawna przedmiotem zainteresowania uczonych, także jako potencjalne źródło energii odnawialnej. Jego XVIII-wieczni odkrywcy – najpierw Henry Cavendish, a potem Antoine Lavoisier – określali go początkowo jako „łatwopalny gaz”, zanim ten drugi nadał mu nazwę hydrogenium, czyli „rodzący wodę” (polski termin „wodo-ród”, skrócony potem do „wodoru”, wymyślił Jędrzej Śniadecki). Nazwa wzięła się stąd, że jedynym produktem ubocznym spalania tego pierwiastka jest woda. Dlatego już sto lat temu brytyjski uczony J.B.S. Haldane dowodził, że era paliw kopalnych dobiegnie kiedyś końca za sprawą „wielkich elektrowni wodorowych”.

Odrzucona hipoteza

Wodór faktycznie zrobił karierę i jest dziś wykorzystywany w dziesiątkach procesów przemysłowych. Służy m.in. do produkcji nawozów mineralnych, materiałów wybuchowych, paliwa rakietowego, nierzadko benzyny i oleju silnikowego (hydrokraking). Problem polega na tym, że obecnie jest otrzymywany głównie z gazu ziemnego, co wiąże się ze znaczną emisją związków ogrzewających atmosferę, a nie o to przecież chodzi w rewolucji, której nadejście prognozował Haldane. Alternatywnie wodór można uzyskiwać z wody za pomocą elektrolizy, wykorzystując energię słońca i wiatru. Na razie jednak jest to bardzo drogie i energochłonne.

Między innymi dlatego wizja świata napędzanego wodorem trochę buksuje. Nie ruszyła masowa produkcja samochodów napędzanych ogniwami paliwowymi. Tańsze i szybsze okazały się pojazdy na baterie elektryczne. Mimo to wodór wciąż uchodzi za atrakcyjną alternatywę dla transportu morskiego i kolejowego oraz ciężkich pojazdów drogowych, a także jako paliwo w elektroenergetyce i niektórych sektorach przemysłu ciężkiego. Na świecie realizowanych jest wiele takich projektów. W Polsce przykładem jest Rybnik, po którym od ponad roku jeżdżą autobusy na wodór. Politechnika Śląska zamierza tam otworzyć centrum naukowe rozwijające technologie wodorowe.

Naukowcy coraz częściej spoglądają w stronę naturalnych zasobów tego pierwiastka. Gdyby okazały się znaczne i dostępne, wystarczyłoby nawiercić ziemię w odpowiednich miejscach i zacząć tłoczyć do rur.

Sam pomysł, że wodór cząsteczkowy może się swobodnie gromadzić w skałach, był długo odrzucany przez naukowców, szczególnie zachodnich. Zakładano, że gaz tak lekki i łatwo wchodzący w reakcje chemiczne albo zwiąże się na stałe z innym pierwiastkiem, albo zostanie skonsumowany przez mikroorganizmy, dla których jest źródłem energii życiowej, albo też uleci do atmosfery, a z niej w kosmos.

Innego zdania byli jednak naukowcy rosyjscy, a potem radzieccy. W raporcie z 1888 r. Dmitrij Mendelejew informował o wykryciu wodoru w próbce gazu z kopalni węgla kamiennego w Donbasie. Przez następne 100 lat niemal wszystkie podobne doniesienia pochodziły z Europy Wschodniej i Syberii, bo tylko tam był poszukiwany w skałach. Jego obecność miała bowiem potwierdzać słuszność popularnej wśród radzieckich badaczy teorii o nieorganicznym pochodzeniu ropy naftowej i gazu ziemnego. Postulowali oni, że oba surowce węglowodorowe powstają nie w wyniku przeobrażenia szczątków roślinnych i zwierzęcych, jak się dziś powszechnie uważa, ale dzięki nieustannemu dopływowi wodoru z głębszych warstw Ziemi. Zachodni badacze generalnie odrzucali tę hipotezę, przy okazji kwestionując samą możliwość powstawania większych jego nagromadzeń w skałach. Do zrewidowania poglądów na ten drugi temat zmusiło ich pewne zaskakujące zdarzenie z nieodległej przeszłości.

Wioska Bourakébougou znajduje się w południowej części Mali, ok. 60 km od stołecznego Bamako. W 1987 r. postanowiono tam wywiercić nową studnię. Woda nie chciała się jednak pojawić, więc uznano, że nie ma sensu dalej drążyć, kiedy wiertło znalazło się na głębokości ok. 100 m. Po jego wyciągnięciu z otworu zaczął ulatywać gaz, a gdy jeden z wiertaczy zapalił papierosa, doszło do wybuchu. Robotnik został mocno poparzony, a ogień, który się wtedy pojawił, nie zagasł jeszcze przez wiele tygodni, dopóki nie zaplombowano odwiertu. Obserwatorzy zwrócili uwagę na nietypową niebieskawą barwę płomienia oraz brak czarnego dymu.

W 2012 r. dziurę odetkano i pobrano próbki ulatującego gazu. Okazało się, że jest to niemal czysty wodór. Dni i tygodnie mijały, a on pojawiał się w coraz większych ilościach spod ziemi, wprawiając naukowców w zdumienie. Parę miesięcy później zainstalowano niewielką turbinę i generator prądu, który popłynął do okolicznych wiosek. Stwierdzono bowiem, że wodorowe eldorado, znajdujące się zaledwie 100 m pod ziemią, zajmuje znaczną powierzchnię i że jego zasoby same się odnawiają. Przypominało podziemną naturalną wytwórnię energetycznego surowca pracującą dzień i noc na pełnych obrotach.

Entuzjaści dalej szukają

Malijskie odkrycie otworzyło oczy wielu sceptykom. Od 2018 r., kiedy po raz pierwszy szczegółowo je opisano, liczba publikacji poświęconych wodorowi geologicznemu zaczęła szybko rosnąć. Zaczęto go poszukiwać na całym świecie. Najwięksi entuzjaści wierzą, że to co zdarzyło się w Bourakébougou, zapisze się na kartach historii w podobny sposób, jak nawiercenie w 1859 r. w Titusville w Pensylwanii, od którego zaczął się boom naftowy za oceanem. Od paru lat intensywnie rozwijane są teoretyczne badania nad powstawaniem i akumulowaniem się naturalnego wodoru w skałach. Zachodni naukowcy już nie kwestionują jego istnienia. Teraz chcą lepiej zrozumieć, skąd się bierze, by nie prowadzić poszukiwań po omacku.

Firmy naftowe i gazowe nakłuły skorupę ziemską w dziesiątkach tysięcy miejsc. Dlaczego nie znalazły wodoru? Bo nie ma go tam, gdzie występują ropa i gaz. Każdy atom wodoru, który zawędrował w pobliże skał z rozłożoną materią organiczną, natychmiast wiązał się ze znajdującym się w niej węglem, formując łańcuchy węglowodorów. W innych z kolei miejscach wodór wiązał się z tlenem, zmieniając w wodę, lub reagował z dwutlenkiem węgla, przekształcając się w metan. Aby go znaleźć, trzeba go szukać gdzie indziej – doszli do wniosku geolodzy. Gdzie? Przede wszystkim tam, gdzie gorące podziemne wody przemieszczające się szczelinami skalnymi wchodzą w kontakt z minerałami zawierającymi dużo żelaza, takimi jak oliwin. Oliwin zmienia się wówczas w serpentynit, dlatego metamorfoza zwana jest serpentynizacją. Jej produktem ubocznym jest wodór. Naukowcy szukają miejsc, gdzie proces ten może zachodzić współcześnie na dużą skalę.

Oliwin to przybysz z głębin Ziemi. Jest jednym z głównych budulców drugiej warstwy globu zwanej płaszczem, która zaczyna się na głębokości średnio 20–40 km. Czasem jednak zostaje wypchnięty wyżej, np. podczas wyrastania łańcuchów górskich. Może się wtedy znaleźć w zasięgu wód geotermalnych, które przeobrażą go w serpentynit, a przy okazji wyprodukują mnóstwo wodoru. Może on powstawać również w inny sposób, np. w wyniku radiolizy, czyli rozbijania cząsteczek wody przez promieniowanie pochodzące od pierwiastków radioaktywnych w skorupie ziemskiej.

Jednak najważniejsza jest serpentynizacja. Według naukowców dzięki niej powstaje trzy czwarte wodoru geologicznego. Dlatego poszukiwania prowadzi się tam, gdzie oliwin mógł zostać porwany z płaszcza Ziemi i uwięziony w skorupie ziemskiej. Na cel bierze się młode góry, ale też pozostałości najstarszych łańcuchów, czasami liczące miliardy lat. Nawet jeśli erozja usunęła je z krajobrazu, to ich korzenie przetrwały płytko w prastarej skorupie, a wraz z nimi przetrwał też oliwin.

W lutym 2023 r. grupa francuskich badaczy, którym przewodził Laurent Truche z Université Grenoble Alpes, opisała w „Science” odkrycie z kopalni chromu w Bulqizë w Albanii. Na głębokości 620 m zlokalizowano złoże wodoru o wydajności 200 ton rocznie. Znajduje się w skałach, które dziesiątki milionów lat temu formowały się na dnie morskim i wówczas zostały wzbogacone oliwinami. Następnie cały ten blok skalny został zmięty, pofałdowany i uniesiony podczas alpejskich ruchów górotwórczych, które w Europie odpowiadają za powstanie wielu młodych łańcuchów górskich, w tym Karpat.

Imadło tektoniczne

Pytanie o genezę naturalnego wodoru jest ważne, ale jeszcze ważniejsze jest choćby przybliżone oszacowanie jego potencjalnych zasobów. Zadania podjęli się Geoffrey Ellis i Sarah Gelman, geochemicy ze Służby Geologicznej Stanów Zjednoczonych (USGS). Sięgnęli po model wykorzystywany przez branżę naftową i zmodyfikowali go, przyjmując założenie, również wynikające z doświadczeń tej branży, że do wydobycia będzie się nadawało nie więcej niż 10 proc. potencjalnych zasobów wodoru, a niewykluczone, że wartość ta nie przekroczy 1 proc. W grudniu 2024 r. opublikowali w „Science Advances” wyniki swoich modelowań. Zasoby wodoru geologicznego oszacowane zostały przez nich na ok. 5,6 bln ton.

To wartość gigantyczna, biorąc pod uwagę, że w 2024 r. wyprodukowano na świecie ok. 100 mln ton wodoru, a prognozy mówią o zwiększeniu tej liczby do ok. 500 mln do połowy XXI w. Badacze zastrzegli jednak od razu, że zdecydowana większość tego potencjalnego zasobu nigdy nie zostanie wykorzystana, tak jak nikt nie sięga po złoto rozpuszczone w oceanach w znikomych stężeniach. Na podstawie rozmaitych kryteriów geologicznych i geochemicznych Ellis i Gelman ocenili, że da się uszczknąć maksymalnie 80–100 mld ton, czyli mniej niż 2 proc. Wciąż byłby to hojny dar od natury. „Zakładając, że do wyzerowania emisji gazów cieplarnianych będziemy potrzebowali m.in. ok. 500 mln ton wodoru rocznie, ten podziemny rezerwuar wystarczyłby nam na ok. 200 lat” – konkludowali.

Gdzie dokładnie szukać tych 100 mld ton? Okazało się, że do wskazania obiecujących lokalizacji mogą się przydać modele narodzin łańcuchów górskich. Góry wyrastają tam, gdzie dochodzi do zderzeń płyt litosfery, na które jest podzielona zewnętrzna, sztywna powłoka skalna Ziemi (zwana właśnie litosferą). Płyty te przesuwają się powoli, wchodząc ze sobą w różne interakcje, niekoniecznie przyjazne. Kiedy nacierają na siebie, skały między nimi zostają zgniecione, a potem jeszcze wyciśnięte do góry przez tektoniczne imadło. Najnowsze modele umożliwiają dokładną rekonstrukcję przebiegu takich zdarzeń dla większości łańcuchów górskich.

Po opisane narzędzie sięgnął Frank Zwaan z GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung w Poczdamie, wraz z grupą współpracowników. Celem było wskazanie stref na globie, w których prawdopodobieństwo gromadzenia się wodoru naturalnego jest największe. Wyniki opublikowano w lutym, również w „Science Advances”. Do modelu wprowadzono dane z tysięcy badań terenowych, a ten odpowiedział badaczom, że idealnym środowiskiem geologicznym mogą być niektóre rejony młodych gór, takich jak Alpy, Bałkany, Karpaty czy Pireneje. Za najdogodniejsze uznali naukowcy te miejsca, w których strefy intensywnej serpentynizacji oliwinów (a więc i produkcji wodoru) sąsiadują ze strefami, gdzie gaz może się zbierać w dużych ilościach w podziemnych rezerwuarach, np. w warstwach wapieni. Inaczej wodór zwiąże się z innymi pierwiastkami, zostanie skonsumowany przez uzależnione od niego mikroorganizmy lub po prostu ucieknie w siną dal.

Pierwiastek ryzyka

Badań przybywa, ale ich autorzy zgodnie podkreślają, że to dopiero początek. Wciąż nie ma pewności, czy faktycznie wodór, nawet jeśli jest go dużo w skorupie ziemskiej, tworzy złoża nadające się do eksploatacji na masową skalę. Dotychczas nie znaleziono ani jednego. Inna sprawa, że poszukującymi są zwykle niewielkie firmy zakładane przez entuzjastów, którym marzy się powtórka z Titusville. W końcu amerykański boom naftowy zaczął się od uporu jednego człowieka, Edwina Drake’a, który się zapożyczył, aby dokończyć wiercenie, choć wszyscy mu radzili, by dał sobie spokój (a ponieważ trwał przy swoim, dorobił się przezwiska Głupi Drake).

Na razie jednak branża naftowa w niewielkim stopniu interesuje się wodorem geologicznym. Raczej przygląda się z boku, jak na tym polu minowym – jest nim każdy nowy pomysł na biznes – radzą sobie ryzykanci. Jest ich już co najmniej kilkudziesięciu. Tyle firm zainteresowanych poszukiwaniem i wydobyciem wodoru naturalnego wzięło udział w pierwszej konferencji „Natural Hydrogen: A New Frontier for Energy Geoscience”, którą w połowie 2023 r. zorganizowało Geological Society of London, najstarsze towarzystwo geologiczne na świecie.

Niektórym odważnym już udało się pozyskać wsparcie od funduszy vanture capital. Amerykański start-up Koloma dostał imponującą kwotę 91 mln dol. od pięciu inwestorów, w tym od Breakthrough Energy Ventures należącego do Billa Gatesa. Boom, przynajmniej na papierze, nastąpił w trzech ostatnich latach w Australii, gdzie wodoru w skałach szuka już ponad 10 firm. Z kolei hiszpańska firma Helios Argon ma nadzieję na znalezienie wodoru w Pirenejach, a także w… Polsce, gdzie pojawiła się półtora roku temu. „To jeden z najbardziej perspektywicznych obszarów poszukiwań tego surowca” – uzasadniła wówczas swoją decyzję.

Wygląda na to, że nie ona jedna tak uważa. W październiku 2024 r. w Akademii Górniczo-Hutniczej powołano Polską Inicjatywę na rzecz Naturalnego Wodoru Geo-Hydrogen. Przystąpiły do niej także Orlen, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN oraz Państwowy Instytut Geologiczny. Dyrektor tej ostatniej instytucji, prof. Krzysztof Szamałek, poinformował przy okazji, że podległe mu służby od dwóch lat próbują rozpoznać formacje geologiczne w Polsce najbardziej obiecujące dla występowania wodoru naturalnego. Być może więc pojawi się on już niedługo w publikowanym co roku „Bilansie zasobów złóż kopalin w Polsce”. W najnowszym raporcie jeszcze go nie ma, ale kto wie, może kiedyś staniemy się mocarstwem wodorowym.