Экологичный подход. Природный газ предложено превращать в водород непосредственно в газовых месторождениях

Ученые нашли способ, как можно получать водород из природного газа прямо в месторождениях и с эффективностью до 45%. Они предложили закачивать в скважины водяной пар и катализатор. В присутствии водяного пара и катализатора природный газ горит, превращаясь в смесь угарного газа и водорода. При этом угарный газ, хотя и превращается в CO2, остается внутри пласта и не попадает в атмосферу. Такая технология поможет ускорить переход от ископаемого топлива к экологически чистой водородной энергетике.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Fuel.

Около 80% энергии люди получают благодаря сжиганию ископаемого топлива — нефти и природного газа. Прямое использование этих энергетических ресурсов неэкологично, поскольку сопровождается выделением углекислого газа, способствующего потеплению климата. Хотя газ считается «чище» нефти потому, что его использование не приводит к выделению большого количества других дополнительных вредных примесей, из-за образования углекислого газа этот тип топлива вреден для окружающей среды сам по себе.

Альтернативой может стать применение водорода в качестве топлива, поскольку в процессе его сгорания выделяется только водяной пар. Однако до сих пор этот «зеленый» источник энергии массово не используется из-за сложностей с его производством.

Ученые из Сколковского института науки и технологий (Москва) впервые предложили добывать водород из пластов в месторождениях природного газа. Такие пласты богаты углеводородами, содержащими большое количество водорода в составе молекулы, а значит, преобразуя эти вещества, можно получить большие объемы «зеленого» топлива.

Авторы разработали эффективный способ получения водорода из газовых месторождений. Предложенный подход включает несколько стадий. Сначала в скважину закачивается водяной пар и катализатор, который в дальнейшем поможет извлечь водород из компонентов природного газа. Затем туда подают воздух или чистый кислород, благодаря чему газ воспламеняется прямо внутри пласта. В присутствии водяного пара и катализатора природный газ горит, превращаясь в смесь угарного газа и водорода.

Схема получения водорода из газовых месторождений. Источник: Mukhina et al. / Fuel, 2024.

Хотя из угарного газа впоследствии и образуется углекислый газ, он остается в пласте и не выходит на поверхность, а потому не попадает в атмосферу и не усиливает парниковый эффект. На последнем этапе водород извлекают из скважины через мембрану, не пропускающую другие продукты реакции. В результате все образующиеся газы, кроме водорода — угарный и углекислый — остаются навсегда «законсервированными» под землей.

Авторы протестировали такую технологию в реакторах, позволяющих создать условия, идентичные реальному газовому пласту. Для этого исследователи загрузили в установку измельченные горные породы, с помощью насосов подали в нее метан — основной компонент природного газа, водяной пар и катализатор, а затем кислород. При этом в реакторе поддерживали характерное для газовых пластов давление (в восемьдесят раз превышающее атмосферное).

Команда наблюдает за экспериментом в защитном периметре. Источник: Елена Мухина.

По мере эксперимента ученые анализировали газовый состав в реакторе, чтобы оценить эффективность превращения метана в водород. Оказалось, что максимальное количество водорода — 45% от общего объема газов — образуется при температуре 800°C и больших объемах подаваемого в реактор водяного пара. Количество этого компонента реакции для максимальной производительности должно в четыре раза превышать объем природного газа. При этом установленная авторами температура — 800°C — легко достигается в процессе горения природного газа, поэтому искусственно ее даже не придется поддерживать.

Состав породы также влиял на выход водорода. Так, в экспериментах с искусственной пористой средой из оксида алюминия выход водорода достигал 55%. Более высокая эффективность в этом случае объясняется тем, что оксид алюминия инертен, то есть он не реагирует ни с какими окружающими его веществами. В естественных породах присутствуют другие, более активные минералы, которые могут вступать в побочные реакции с компонентами газовой смеси и влиять на выход водорода.

Разные реакторы для экспериментов. Источник: Елена Мухина.

Все стадии предлагаемого процесса основаны на хорошо зарекомендовавших себя технологиях, которые ранее не были адаптированы к добыче водорода из реального газового пласта. Мы продемонстрировали, что предлагаемый подход позволит превращать углеводороды в «зеленое» топливо в полевых условиях с эффективностью до 45%. В дальнейшем мы планируем протестировать нашу методику на практике — на примере газовых месторождений.

• Елена Мухина, PhD, старший научный сотрудник Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколковского института науки и технологий («Сколтеха»)

Изображения: пресс-служба РНФ