Nationaler Tag der CO2-armen Landwirtschaft | Geologischer Wasserstoff: Ein grüner Energieschatz, tief unter der Erde verborgen

Heute ist der nationale Tag der CO2-armen Entwicklung. Mit der rasanten Entwicklung der menschlichen Gesellschaft steigt auch der Energiebedarf. Allerdings produzieren herkömmliche fossile Energieträger wie Kohle, Öl und Erdgas bei der Verbrennung große Mengen Kohlendioxid und tragen so zur globalen Erwärmung bei. Daher ist die Suche nach sauberer, erneuerbarer und kohlenstoffarmer Energie zu einem globalen Schwerpunkt geworden. Unter ihnen ist geologischer Wasserstoff als eine aufkommende saubere Energiequelle allmählich in das Blickfeld der Menschen gerückt.

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01Die „Regenbogenfamilie“ des Wasserstoffs

Wasserstoff ist eines der häufigsten Elemente im Universum und kommt fast überall vor. Wasserstoff ist farblos, geruchlos und leicht entzündlich. Um ihn von anderen Verbindungen wie Wasser ( H₂O ), Methan (CH₄ ) und Ammoniak ( NH₃ ) zu trennen , ist normalerweise eine gewisse Menge Energie erforderlich. In der Industrie gibt es viele Möglichkeiten, Wasserstoff herzustellen. Je nach Produktionsmethode kann er hauptsächlich in drei Arten unterteilt werden : grauer Wasserstoff, blauer Wasserstoff und grüner Wasserstoff .

Grauer Wasserstoff ist Wasserstoff, der durch die Verbrennung oder Verarbeitung fossiler Brennstoffe (Öl, Erdgas, Kohle usw.) entsteht. Die Produktionstechnologie für diese Art von Wasserstoff ist ausgereift und die Kosten sind relativ niedrig. Derzeit dominiert es noch die weltweite Wasserstoffproduktion. Der Nachteil besteht darin, dass der Herstellungsprozess mit einer großen Menge an Treibhausgasemissionen wie Kohlendioxid einhergeht und es sich daher nicht um saubere Energie handelt.

Verbrennung von Erdgas (Quelle: Wikipedia)

Blauer Wasserstoff wird ebenfalls aus fossilen Brennstoffen gewonnen, doch im Gegensatz zu grauem Wasserstoff wird bei blauem Wasserstoff das während des Herstellungsprozesses freigesetzte Kohlendioxid aufgefangen und gespeichert, um die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Daher erscheint blauer Wasserstoff im Vergleich zu grauem Wasserstoff umweltfreundlicher. Allerdings kann diese Art von Wasserstoff nur als Übergangslösung für saubere Energie betrachtet werden. Schließlich ist seine Produktion noch immer auf fossile Brennstoffe angewiesen.

Technologie zur Kohlenstoffabscheidung nach der Verbrennung (Quelle: Wikipedia allgemein)

Grüner Wasserstoff ist Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser mithilfe erneuerbarer Energiequellen wie Solarenergie und Windenergie erzeugt wird . Der gesamte Produktionsprozess verursacht keine Treibhausgasemissionen und gilt daher als die umweltfreundlichste und nachhaltigste Art der Wasserstofferzeugung. Obwohl die aktuellen Produktionskosten relativ hoch sind, wird grüner Wasserstoff mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie voraussichtlich eine wichtige Position im zukünftigen Energiesystem einnehmen .

Produktionspipeline für erneuerbare Energien mit grünem Wasserstoff – Grüner Wasserstoff für saubere Elektrizität aus Solar- und Windkraftanlagen ( Copyright-Bild der Bibliothek, Nachdruck kann zu Copyright-Streitigkeiten führen )

Zusätzlich zu den oben genannten drei Typen hat das Victoria Hydrogen Center der Swinburne University of Technology in Australien Wasserstoff noch weiter unterteilt in gelben Wasserstoff, braunen Wasserstoff, türkisen Wasserstoff, rosa Wasserstoff und weißen Wasserstoff. Diese acht Wasserstoffarten aus unterschiedlichen Quellen sind nach bunten Farben benannt und bilden eine wunderbare „Regenbogenfamilie“.

Noch überraschender ist, dass die Begriffe „Goldwasserstoff“ und „natürlicher Wasserstoff“ erst vor Kurzem aufgetaucht sind. Um welche Art von Wasserstoff handelt es sich?

02 Unbegrenztes Potenzial von geologischem Wasserstoff

Tatsächlich sind der sogenannte weiße Wasserstoff, der goldene Wasserstoff und der natürliche Wasserstoff die Protagonisten unserer heutigen Diskussion – geologischer Wasserstoff , also eine Wasserstoffressource, die auf natürliche Weise in der Natur entsteht. Im Jahr 1987 kam es in der Republik Mali im westafrikanischen Landesinneren zu einem Unfall für ein Unternehmen, das nach Öl- und Gasfeldern suchte, als es im alten Dorf Brakeb Bohrungen durchführte. Aufgrund der kontinuierlichen Freisetzung brennbarer Gase explodierte das Bohrloch. Nach dem Unfall wurde das Bohrloch versiegelt. Als Ingenieure das Bohrloch im Jahr 2012 erneut öffneten, stellten sie überrascht fest, dass immer noch brennbares Gas austrat. Tests ergaben, dass der Wasserstoffgehalt bis zu 98 % betrug.

Anschließend installierten die örtlichen Behörden hier einen Generator und errichteten ein einfaches Wasserstoffkraftwerk. Noch überraschender ist, dass der Gasdruck im Bohrloch auch nach mehr als zehn Jahren der Emissionen keine Anzeichen einer Abschwächung zeigt, was darauf hindeutet, dass tief unter der Erde kontinuierlich Wasserstoff produziert und nachgefüllt wird. Geologen glauben, dass diese Entdeckung epochal sein könnte. Es widerlegt nicht nur die traditionelle Vorstellung, dass „ reiner Wasserstoff in der Nähe der Erdoberfläche nahezu unmöglich ist “, sondern lenkt auch die Aufmerksamkeit der Menschen auf die Entwicklung von geologischem Wasserstoff.

Wie wird geologischer Wasserstoff erzeugt? Nach Untersuchungen glauben Geologen, dass geologischer Wasserstoff das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen Grundwasser und eisenreichen Gesteinen im Erdmantel ist. Wenn Grundwasser unter hoher Temperatur und hohem Druck auf eisenreiches Gestein trifft, kommt es zu einer chemischen Reaktion. Beispielsweise reagiert Wasser mit Olivin unter Freisetzung von Wasserstoff zu einem anderen Mineral, Serpentin .

Olivin ist ein Magnesium-Eisen-Silikatmineral , das normalerweise smaragdgrün oder olivgrün und manchmal hellgelb oder graugrün ist. Es ist nach der Farbe einer Olive benannt. Aus Sicht der Geologen ist Olivin nicht selten. Es kommt überall auf der Erde vor. Olivin und seine Varianten machen mehr als 50 % des Erdmantelmaterials aus, und fast alle Arten von Extrusivgestein auf der Erde enthalten Olivin. Gerade weil Olivin im Untergrund weit verbreitet ist, werden einzigartige natürliche Bedingungen für die Bildung von geologischem Wasserstoff geschaffen.

Aus Lavagestein erodierte Olivinkristalle ( Quelle: Wikipedia )

Französische Wissenschaftler haben Medienberichten zufolge das Entstehungsprinzip von geologischem Wasserstoff durch Experimente bestätigt und festgestellt, dass die Zugabe von Katalysatoren die Wasserstoffproduktion deutlich beschleunigen kann. Wissenschaftler gaben Wasser, Olivin und Aluminiumoxid (Katalysator) in einen winzigen Schnellkochtopf, eine sogenannte Diamantdruckkammer ( der winzige Raum im Inneren ist etwa so breit wie eine Bleistiftmine ). Nach 24 Stunden Reaktion bei einer hohen Temperatur von 200 bis 300 Grad Celsius und einem hohen Druck von 2000 Pa gelang es ihnen, Wasserstoff zu gewinnen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Katalysator Aluminiumoxid den natürlichen Bildungsprozess von geologischem Wasserstoff um das 7- bis 50-fache beschleunigen kann. Diese neue Formel zur schnellen Herstellung großer Mengen Wasserstoff soll die Entwicklung und weitverbreitete Anwendung von geologischem Wasserstoff fördern.

03Geologischer Wasserstoff-Goldrausch

Viele Wissenschaftler sehen in „geologischem Wasserstoff“ eine außergewöhnliche Chance. Der Grund hierfür liegt darin, dass der Erzeugungsprozess von geologischem Wasserstoff nur minimale Auswirkungen auf die Umwelt hat und der Entwicklungsprozess nicht nur sauberer und kostengünstiger als bei blauem oder grünem Wasserstoff ist, sondern auch über enorme Reserven verfügt , was darauf hindeutet, dass er im Bereich der zukünftigen Energieentwicklung großes Potenzial und einen großen Anwendungswert hat.

Aus einschlägigen Daten geht hervor, dass der weltweite Bedarf an Wasserstoffenergie derzeit bei etwa 94 Millionen Tonnen pro Jahr liegt und dass bis 2050 mit einer Verzehnfachung des aktuellen Niveaus zu rechnen ist. Einer Studie des United States Geological Survey zufolge lagern weltweit bis zu 5 Billionen Tonnen Wasserstoff im Untergrund . Obwohl die meisten dieser Stoffe mit der gegenwärtigen Technologie nicht abgebaut werden können, würde die Gewinnung einer kleinen Menge davon ausreichen, um den Wasserstoffbedarf der Menschheit für Jahrhunderte zu decken.

Wissenschaftler haben die Entwicklungsaussichten von geologischem Wasserstoff erkannt und immer mehr Energieunternehmen haben begonnen, Forschungsprojekte für geologischen Wasserstoff zu starten, was einen „Goldrausch“ auslöste. Das US-Magazin „Science“ zählte die „Entdeckung natürlicher Wasserstoffquellen unter der Oberfläche“ sogar zu den zehn größten wissenschaftlichen Durchbrüchen des Jahres 2023.

In den letzten Jahren wurden in vielen Ländern Fälle geologischer Wasserstofffunde gemeldet. So wurde beispielsweise im Mai 2023 im Lothringer Becken in Frankreich hochkonzentrierter geologischer Wasserstoff mit Reserven von bis zu 46 Millionen Tonnen entdeckt. Dies könnte das bislang größte geologische Wasserstoffvorkommen der Welt sein. Im Oktober 2023 bohrte Australien in Südaustralien seine erste geologische Wasserstoffbohrung und stellte fest, dass das Gas in einer Tiefe von 240 Metern unter der Erde eine hohe Wasserstoffkonzentration von bis zu 73,3 % enthielt. Die kommerzielle Machbarkeit dieses geologischen Wasserstofffeldes muss jedoch noch weiter untersucht werden. Es wird erwartet, dass die Probeproduktion bis Ende 2024 beginnt.

Allerdings sind bei der Erforschung und Entwicklung von geologischem Wasserstoff noch immer zahlreiche Herausforderungen zu bewältigen. Die erste Aufgabe besteht darin , mit wissenschaftlichen Methoden reiche Mineralvorkommen zu finden . zweitens ist es notwendig, wirksame Methoden (wie Wasserinjektion, Gesteinserhitzung usw.) zu erforschen, um Wasserstoffproduktionsreaktionen in unterirdischen Gesteinsformationen anzuregen und die Effizienz der Wasserstoffproduktion zu verbessern, um den Bedarf des kommerziellen Bergbaus zu decken; Drittens muss im Entwicklungsprozess auch berücksichtigt werden , wie sichergestellt werden kann, dass brennbarer und explosiver Wasserstoff in großen Mengen sicher vom Produktionsort zum Einsatzort transportiert werden kann . Dabei müssen zahlreiche Probleme wie Gaskompression, chemische Synthese und Pipelinebau gelöst werden.

Die „Regenbogenfamilie“ des Wasserstoffs

(Bildquelle: https://www.swinburne.edu.au/news/2022/05/the-colours-of-hydrogen-explained/)

Peridot (Foto: Ma Zhifei)

Hochwertiger Peridot ist auch ein wunderschöner Edelstein (Foto: Ma Zhifei)

Serpentin. Unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen kann Olivin durch eine hydrothermale Reaktion verändert und in Serpentin umgewandelt werden. (Foto: Ma Zhifei)

Serpentine (Fotografie: Ma Zhifei)

Autor: Ma Zhifei, ein populärwissenschaftlicher Autor und Mitglied der Beijing Science Writers Association, hat mehr als 10 populärwissenschaftliche Bücher geschrieben, darunter „A Dream of Red Mansions“ und „Glass Earth“. Er hat den Excellent Popular Science Book Award des Ministeriums für natürliche Ressourcen, den Wu Dayou Popular Science Book Award und den Popular Science Works Award „China Gem Literature Award“ der China Natural Resources Writers Association gewonnen.

Gutachter: Li Ruixia, Vizepräsident und Forscher des Sinopec New Star (Peking) New Energy Research Institute, National Geothermal Center

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