گام “فولاد مبارکه” در راستای تحقق مسوولیت‌های اجتماعی و گسترش انرژی پاک در کشور؛ راه‌اندازی سه هزار سامانه خورشیدی پنج کیلوواتی در شهرستان مبارکه
شهریور ۱, ۱۴۰۴
توسعه پایدار معادن و صنایع معدنی در شرکت احیاء سپاهان؛ سیاست‌های راهبردی مجتمع صنایع و معادن احیاء سپاهان برای آینده
شهریور ۳, ۱۴۰۴
هیدروژن طبیعی: فرصت‌های نویدبخش برای اکتشاف و تولید در بخش معادن و صنایع معدنی
ترجمه: محمدحسین نشاطی
گروه رسانه‌ای پردازش – بخش انرژی جهانی در حال دگرگونی است و هیدروژن (پر انرژی‌ترین گاز) احتمالاً نقش برجسته‌ای را به‌عنوان حامل انرژی پاک ایفا می‌کند. بسیاری از کشورها هیدروژن را به عنوان مسیر اصلی کربن‌زدایی بخش‌های حمل‌ونقل، فرآیندهای صنعتی، گرمایش و ذخیره‌سازی انرژی شناسایی کرده‌اند.
هیدروژن تقریبا به‌طور انحصاری برای مصارف صنعتی تولید می‌شود و سالانه حدود Bm۳ ۸۴۰ در سراسر جهان تولید می‌شود.
شکل (۱)– روش‌های اصلی تولید هیدروژن.
می‌توان آن را به‌طور مصنوعی از طریق مسیرهای مختلفی تولید کرد. روش‌های اصلی تولید هیدروژن با انتشار کربن کم عبارتند از:
۱- الکترولیز آب با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر (هیدروژن سبز)
۲- اصلاح (ریفورم) گاز طبیعی با بخار آب همراه با جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS؛ هیدروژن آبی)
۳- تبدیل به گاز زغال‌سنگ همراه با CCS (هیدروژن آبی).
توجه:
- اکثر هیدروژن تولیدشده ازخوراک بر پایه هیدروکربنبدون CCS (هیدروژن خاکستری) منشاء می‌گیرد زیرا اقتصاد تولید الکترولیتی هیدروژن سبز (۰/۱ درصد از کل تولید H۲) نیاز به بهبود دارد.
- برای توسعه صنعت هیدروژن در مقیاس بزرگ، ذخیره هیدروژن موردی کلیدی استو ذخیره هیدروژن درغارهای نمکنویدبخش‌ترین رویکردبرای ذخیره‌سازی فصلیدر مقیاس بزرگدرنظر گرفته می‌شود.
هیدروژن ظاهرا در همه جا در زیر سطح زمین وجود دارد و به‌عنوان طبیعی یا آزاد یا نوع زمین‌شناسی طبقه‌بندی می‌شود.
هیدروژن نوع زمین‌شناسی می‌تواند آینده کم‌کربن را اساسا متحول کند زیرا می‌توان از آن به‌صورت اقتصادی بهره‌برداری کرد.
- رفع نیاز به آب تمیز مورد استفاده در طی الکترولیز هیدروژن سبز.
- حذف نیاز به فرآیند گران قیمت جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS) مرتبط با هیدروژن آبی.
شکل (۲)- اکتشافات هیدروژن و محیط‌های زمین‌شناسی.
فرآیندهایی که هیدروژن طبیعی را ایجاد می‌کنند به‌طور کامل درک نشده‌اند و کشف این منبع بالقوه تجدیدپذیر چند پرسش را بر می‌انگیزد:
- انباشت تجاری
- روش بهره‌برداری
- پیامدهای قانونی اکتشاف هیدروژن
- هزینه‌های تولید
- آیا می‌تواند کربن‌زدایی کند و با خوراک هیدروژنی (خاکستری و آبی) یا حتی هیدروژن سبز موجود رقابت نماید؟
- میزان ذخیره هیدروژن در زیر زمین؟
در طیف وسیعی از “تنظیمات زمین‌شناسی” یافت می‌شود:
- پوسته اقیانوسی و قاره‌ای
- گازهای آتشفشانی
- سیستم‌های هیدروترمال
به‌نظر می‌رسدمنابع شناخته شده کنونیهیدروژن طبیعی غیرزیستی هستند، اما، مباحثه‌ها نشان دادند که هیدروژن طبیعی را می‌توان هم زیست‌زا و هم غیرزیستی درنظر گرفت، زیرا تفسیر منبع می‌تواند ذهنی باشد و هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری در مورد هیدروژن و میکروارگانیزم‌ها وجود دارد.
رخدادهای زمین‌شناسی، منابع و انباره‌های هیدروژن طبیعی
به‌طور خاص‌تر،هیدروژن طبیعی در طیفوسیعی از محیط‌های زمین‌شناسیوجود دارد.
از آنجا که H۲ متحرک و از نظر شیمیایی فعال است،گازهای ذخیره‌شده برای هزاران سال درسنگ‌های ذخیره‌گاه ممکن است نیاز به پر کردن مداوم H۲ از منبع متفاوت داشته باشند.
محتوای H۲ در میادین گاز و نفت، در کل، معمولاً کمتر از سنگ‌های اطراف است که نشان‌دهنده یک واکنش شیمیایی بین H۲ و ماده آلی موجود در محل است.
منابع طبیعی H۲ را می‌توان به دو گروه دسته‌بندی کرد:
۱٫ هیدروژن اولیه ذخیره شده در هسته وگوشته سیاره‌ای هیدریدی زمین
۲٫ هیدروژن ثانویهتولیدشده ازواکنش‌های شیمیایی درونگوشته سیاره‌ای و پوسته.
هیدروژنطبیعی را می‌توان به‌عنوان یک منبع غیرزیست‌زا یا یک منبع زیست‌زا درنظر گرفت کهدومی شاملفرآیندهای ترموژنیک یا گرمازادو میکروبی هر دواست.
شکل (۳)- منابع اصلی H۲ و انباره‌های آن در پوسته.
منابع هیدروژن طبیعی
منبع اولیه هیدروژن طبیعی
هیدروژن و هلیوم (He)روی زمینریشه در تشکیلجهان و منظومه شمسی دارند.
هیدروژناولیه در ابتدا حاصل شد و سپس برای تشکیل یک هسته هیدریتیک و گوشته سیاره‌ای پایینی در طی شکل‌گیری زمین که حدود ۵۴/۴ میلیارد سال پیش تخمین زده می‌شود، جدا شد. برخی منابع اولیه H۲ برای استفاده انسانی را بی‌نهایت می‌دانند،اگر فقط قابل دسترس باشند.
سنگ‌های اولترامافیک در گوشته سیاره‌ای غالب هستند و سیالات در گوشته سیاره‌ای پایین احتمالاً حاوی متان (CH۴)، H۲ و آب (H۲O) می‌باشند، درحالی‌که در گوشته سیاره‌ای بالایی آنها شامل دی‌اکسید کربن (CO۲) و آب هستند. این منبع اولیه هیدروژن به‌صورت هیدرید اولیه فلز ذخیره شده است و شکل غالب هیدروژن روی زمین درنظر گرفته می‌شود.
این هیدریدهای فلزی هیدروژن را از طریق فرآیندهایی آزاد می‌کنند که منتج به تزریق مداوم و متناوب شدید به گوشته سیاره‌ای بالایی و پوسته می‌شود. چنین مهاجرت سیال در مقیاس بزرگ می‌تواند تأثیرات عمده‌ای بر تمام فرآیندهای زمین در لیتوسفر فوقانی، بیوسفر، هیدروسفر و اتمسفر داشته باشد.
منابع ثانویه هیدروژن طبیعی
منابع ثانویه (غیرزیستی) هیدروژن طبیعیبه‌طور بالقوهبزرگترین منابعی هستند که هنوز کشف نشده‌اند، گرچه اکتشاف برای نفت و بازیافت گاز طبیعی زیستی (با H۲ غیرتجاری) بزرگترین منبع مورد بهره‌برداری درحال‌حاضر است.
هیدروژن غیرزیستی ممکن است بر شیمی اکسیداسیون و احیای پوسته که رسوب کانی‌سازی سنگ معدن را کنترل می‌کند تأثیر بگذارد و از این رو آنالیز کردن گازهای معادن سودمند خواهد بود.
سرپنتینی‌شدن مطالعه‌شده‌ترین مسیرواکنش با H۲ در زیر سطح است وبا گردش سیالات گرمابی از طریق سنگ‌های مافیک-اولترامافیک در کف دریا در دریچه‌های گرمابی عمیق دریا و در افیولیت‌هایقاره‌ای رخ می‌دهد.
سرپنتینی‌شدنمی‌تواند در دماهایی ازکمی بالاتر از دمای محیطتا ℃۴۰۰-۳۳۰،بسته به فشار رخ دهد.
شکل (۴)- نمایش شماتیک مناطق اصلی تشکیل سرپنتین.
لیتوسفر گوشته سیاره‌ای همچنین می‌تواند از سرپنتینی‌شدن پشتیبانی کند. تولید H۲ در دمای پایین (℃۱۰۰) با یک واکنش‌دهنده اسپینل و یک ساختار کریستالی مکعبی مرتبط است. اسپینل می‌تواند به‌صورت ناخالصی در واکنش‌دهنده اولیه یا محصول سرپنتینی شدن باشد.
بهره‌دهی هیدروژنحاصل ازسرپنتینی شدن مستقیماً با کسری ازآهن احیاشده در کانیواکنش‌دهنده(مانند الیوین یاپیروکسنبا نسبت Fe/Mg متغیر)و نسبت تبدیل بهFe۳þ مرتبط است.
رادیولیز آب در ژئوسفر مکانیزم مهم دیگری برایتولید H۲ طبیعی است که قابل مدل‌سازی و برآورد منابع است.
یک منبع هیدریدیک از گوشته سیاره‌ای و هسته پایینیبه‌عنوان بزرگترین ذخیره‌گاه “H” تئوریزه شده است که در آنH۲ می‌تواند به‌طور مداومبه سمت بالا مهاجرت کند یا با تزریق اپیزودیک به گوشته سیاره‌ای بالایی پوستهکه در آن هیدریدهای فلزیمی‌توانندمتاسوماتیزم گردند و آب هیدرولیز شود.
