Introduktion
Under de senaste åren har intresset för naturligt bildad vätegas ökat kraftigt. Till skillnad från den “gröna” vätegas som framställs genom elektrolys av vatten med förnybar el, bildas naturlig vätegas när vatten träffar järnrika bergarter djupt ner i jordskorpan. Processen kallas serpentinisering och kan producera väte utan att släppa ut koldioxid. Forskare från Princeton University och Ohio State University har nu undersökt om man kan göra två nyttiga saker samtidigt: öka vätegasproduktionen och lagra koldioxid permanent i berget. Deras studie, som publicerades i International Journal of Hydrogen Energy, visar att det är möjligt – men bara under vissa geologiska förhållanden och med vissa begränsningar. Nedan följer en lättläst genomgång av vad de kom fram till, anpassad för tonåringar som vill förstå både vetenskapen och de praktiska utmaningarna.
Koldioxid påskyndar de kemiska reaktionerna
När vatten cirkulerar genom sprickor i ultramafiska bergarter (bergarter som är rika på magnesium och järn, till exempel olivin) börjar en kemisk reaktion där järnet i mineralet reagerar med vattnet och bildar vätegas samt ett nytt mineral kallat serpentinit. Detta är grunden för serpentinisering. Forskarna upptäckte att om man tillsätter koldioxid till vattnet innan det når berget, förändras vattnets kemi på ett sätt som gör reaktionen snabbare. Koldioxid löses upp i vattnet och bildar en svag kolsyra. Den ökade surheten gör att olivin och andra järnhaltiga mineral bryts ned lättare, vilket frigör mer järn som kan reagera med vatten och producera vätegas.
I sina datorsimuleringar tittade forskarna på förhållanden som motsvarar ungefär fem kilometers djup, där temperaturen ligger under 150 °C. Resultaten visade att när koldioxid fanns med i systemet kunde vätegasproduktionen öka med upp till 31 procent jämfört med när bara vatten användes. Det är en betydande förbättring som skulle kunna göra naturlig vätegasproduktion mer attraktiv ur ett energiperspektiv.
Samtidigt binds koldioxiden permanent
Den extra koldioxiden försvinner inte bara för att göra reaktionen snabbare – en stor del av den binder sig faktiskt till berget och blir en del av fast bergart. När den svaga kolsyran möter mineral som innehåller magnesium och järn bildas stabila karbonatmineral, till exempel magnesit (MgCO₃) och siderit (FeCO₃). Dessa mineral är mycket stabila och kan lagra koldioxid under mycket lång tid, kanske till och med miljoner år, utan att den läcker tillbaka till atmosfären.
På så sätt kan man tänka sig ett dubbelverkande system: berget producerar mer vätegas samtidigt som det fungerar som en långsiktig koldioxidfångst. Detta skulle kunna bidra både till att minska utsläppen av växthusgaser och att förse samhället med ett renare bränsle. Forskarna betonar dock att detta bara fungerar om bergarten har rätt kemiska sammansättning och om vattnet kan cirkulera fritt genom dess porer.
Problem med snabbare igensättning
Det finns dock en baksida. När koldioxid tillsätts och reaktionerna går snabbare bildas också nya mineral som fyller upp de små hålen (porerna) i berget. I simuleringarna visade det sig att ett mineral kallat greenalit (ett järn‑kiselsilikat) bildades i större mängd när koldioxid fanns med. Greenalit tar upp mer volym än det mineral som dominerar utan koldioxid, cronstedtit, och gör därför att porerna blir igensatta snabbare.
På grund av denna igensättning avbröts vätegasproduktionen efter ungefär 3,5 år i modellerna med tillsatt koldioxid. Utan koldioxid kunde processen fortsätta nästan sex år längre innan porerna blev för täta för att vatten skulle kunna cirkulera effektivt. Med andra ord får man mer vätegas på kort tid, men tiden då man kan producera den blir kortare. Detta är en viktig kompromiss som måste vägas när man överväger att använda tekniken i praktiken.
Magnesiumrika bergarter kan vara lösningen
Forskarna föreslår också ett sätt att mildra problemet med igensättning: att välja bergarter som innehåller mycket magnesium. Magnesium kan binda en del av den lösta kiseldioxiden som annars skulle bidra till bildningen av greenalit. Genom att minska mängden fri kiseldioxid i vattnet kan man hindra att greenalit bildas i lika stor omfattning, vilket i sin tur gör att porerna håller sig öppna längre.
Detta betyder att vissa geologiska formationer – särskilt de som är både järn‑ och magnesiumrika – kan vara särskilt lämpade för ett system där man både producerar vätegas och lagrar koldioxid. Exempel på sådana bergarter är vissa typer av peridotit som finns i ophioliter (bergartskomplex som har pressats upp från jordmanteln). Om man hittar lämpliga platser på jordytan där dessa bergarter finns nära ytan och där vatten kan pumpas ner, kan man potentiellt skapa en pilotanläggning för att testa idén i verkligheten.
Avslutande reflektion
Studien från Princeton och Ohio State visar att det finns en spännande möjlighet att kombinera två viktiga klimatmål: att producera ren energi och att lagra bort koldioxid. Genom att tillsätta koldioxid till vatten som reagerar med järn‑ och magnesiumrika bergarter kan man öka vätegasproduktionen med upp till en tredjedel samtidigt som en
