Mindenki a saját bőrén is tapasztalhatta már a globális felmelegedés következményeit. A fosszilis energiahordozók használatának mérséklése mindannyiunk érdeke. Szerencsére a megújuló energiaforrások kiaknázásában, mint pl. a napenergia, szélenergia egyre nagyobb sikereket ér el az emberiség, ugyanakkor még számos probléma vár megoldásra. Ezek közül az egyik, hogy a megújuló energiaforrások termelése többnyire nem szabályozható, jelentősen függ az időjárástól, pl. szélsebesség, felhőborítottság. Annak érdekében, hogy a zöld átállást biztosítani tudjuk, kell találni egy utat a megtermelt energia tárolására.

A számos energiatárolási módszer közül az egyik, az energia hidrogén formájában való tárolása. Ez úgy valósulna meg a gyakorlatban, hogy amikor az erőművek nagy kapacitáson működnek, pl. nagyon szeles és/vagy napsütéses időszakokban, a termelt energia egy részét arra használjak fel, hogy elektrolízis segítségével a vizet oxigénre és hidrogénre bontják. Az így kapott hidrogént tárolják, amit később „elégetnek”, ezzel visszanyerve a vízbontáshoz használt energia egy részét, és a folyamat végeredményeként vizet kapnak vissza. Ezen az elven működnek pl. a már kereskedelemben is kapható üzemanyagcellával szerelt gépjárművek.

A hidrogén alapú energiatárolás sematikus ábrázolása (forrás)

Egyértelmű, hogy a hidrogén alapú energiatároláshoz elengedhetetlen, hogy nagy mennyiségben, biztonságosan tudjunk hidrogént tárolni. De a hidrogén tárolása közel sem egyszerű feladat, gondoljunk csak a Hindenburg léghajó balesetére. Az egyik legnagyobb potenciállal rendelkező megoldásnak a felszínalatti hidrogén tárolás, vagy angolul Underground Hydrogen Storage (UHS) ígérkezik.

Sókavernákat már jó ideje használnak az ipari termeléshez szükséges hidrogén tárolására, de ezek önmagukban nem képesek a szükséges tároló kapacitás biztosítására, valamint nem mindenhol fordulnak elő. Azonban kimerült gázmezők és mély (kb 1 km mélyen található) vízadó rétegek szinte mindenhol előfordulnak, így hazánkban is.

A 3 legvalószínűbb módja a felszín alatti hidrogéntárolásnak (forrás)

A sikeres felszínalatti hidrogéntárolás egyik kulcsa, hogy meg lehessen győződni arról, hogy a hidrogén nem szivárog el a tárolóból. Erre sajnos különösen nagy az esély, hiszen a hidrogén molekula nagyon kicsi (pl. a víz molekulákhoz képest), így a kőzeteket alkotó szemcsék közötti kis réseken is sokkal könnyebben átjut. A kimerült gázmezőknél a régi kutakhoz kapcsolódó geofizikai mérések, valamint a kitermelt gáz kézzel fogható bizonyítékot adnak arra, hogy van egy olyan tulajdonsággal rendelkező kőzet, ami a gáz után akár a hidrogén szivárgását is megakadályozhatja, de ez sem jelent teljes bizonyosságot. A vízadó rétegeknél pedig általában még ennél is kevesebb geológiai információ áll rendelkezésre.

Kutatásomban arra a kérdésre kerestem a választ, hogyan lehet nyomon követni a felszínalatti rétegekben tárolt hidrogén mennyiségét a hidrogén besajtolásához használt kutak környezetében, ami segít azonosítani az esetleges szivárgás tényét, illetve ellenőrizni a besajtolási és kitermelési folyamatokat. E célból az olajipar által kifejlesztett, eddig olaj- és gázkutakban alkalmazott nukleáris szondát vettem górcső alá.

A kérdéses műszer egy neutronforrásból és 3 db gamma foton detektorból áll. Az eszköz által kibocsátott neutronok kőzetet alkotó atommagokkal történő rugalmas és rugalmatlan ütközések sorozatán megy keresztül, míg nem annyira lelassul, hogy egy atommag képes lesz befogni azt. Ebből a folyamatból számomra a legérdekesebb a neutronok rugalmatlan szórása, ugyanis ebben az esetben az atommag — amivel a neutron kölcsönhatott — gerjesztett állapotba kerül, és kibocsát egy rá jellemző energiájú fotont. Ezek a fotonok többségében néhány MeV energiával rendelkeznek, ami már az elektromágneses spektrum gamma tartományába esik (>0,12 MeV). Ezeket a fotonokat úgynevezett szcintillációs detektorokkal lehet észlelni, amikben a gamma foton hatására látható fény felvillanások történnek. Ezeknek a felvillanásoknak az intenzitása a foton energiájával van összefüggésben.

A mérés sematikus ábrája

A lenti ábrán szimulált mérési eredményeket mutatok be. A piros görbével egy hidrogén gázzal, míg kékkel vízzel telített kőzetben mérhető fotonok energiaspektrumát ábrázoltam. Tulajdonképpen azt látjuk, milyen energiájú fotonból, mennyi jut el a detektorhoz. A fent említett atommagra jellemző energiák is megjelennek az ábrán csúcsokként pl. Si (1,78 MeV), O (6,13; 6,91 és 7,11 MeV).

Szimulált mérési eredmény hidrogénnel (piros) és vízzel (kék) telített homokkőben. A fotonenergia függvényében látjuk a detektált fotonok számát. (A függőleges tengely logaritmikus!)

Egyértelmű az ábra alapján, hogy amikor a kőzetben hidrogén van víz helyett, több gamma foton érkezik a detektorba. Rögtön felmerülhet a kérdés, hogy miért? A válasz meglepő lehet. Annyit elöljáróban leszögezhetek, hogy a kőzet hidrogéntartalmához van köze. A hidrogén gáz a tárolóban uralkodó nyomáson és hőmérsékleten lényegesen kisebb sűrűségű (kb. 0,02 g/cm³) mint a víz (1 g/cm³). Emiatt az a paradox szituáció áll fenn, hogy amikor hidrogén tárolására használunk egy kőzetréteget, az összességében kevesebb hidrogént fog tartalmazni mintha vízzel lenne telítve!

De mi a kapcsolat a hidrogéntartalom és a fotonok száma között? Ne feledjük, hogy a fotonokat, amiket mérnek, a neutronok rugalmatlan szórásainak „köszönhetünk”. Márpedig a neutronok szempontjából nagyon nem mindegy, mekkora a kőzet hidrogéntartalma. A hidrogén atommag (proton) tömege közel azonos a neutronéval, így egy ütközéskor sokkal több energiát veszít a neutron, mintha egy nagyobb tömegű atommaggal, például oxigénnel ütközne. Ha kisebb a hidrogéntartalma a kőzetnek, kisebb a valószínűsége, hogy a neutron hidrogénnel ütközik, ami azt eredményezi, hogy a neutron átlagosan kevesebb energiát veszít ugyanannyi távolság megtételével. Ennek pedig az a következménye, hogy több rugalmatlan szórás fog történni, azaz több foton keletkezik, valamint a neutron nagyobb távolságot tud megtenni a kőzetben az elnyelődése előtt. Utóbbi miatt ez a jelenség még markánsabb lesz egy olyan detektorban, ami távolabb van a neutronforrástól.

Tehát minél kisebb a hidrogéntartalma a kőzetnek, annál több gamma fotont mérnek a detektorokban. Azonban ez az effektus nem egyformán jelentkezik a különböző energiájú fotonok számában. Az eredményeim alapján legnagyobb arányban a Si atommagtól érkező 1,78 MeV energiájú fotonok száma növekszik. Amennyiben a kőzet nagy mennyiségben tartalmaz szilíciumot, pl. homokköves (SiO₂) tárolóknál, ezt ki lehet használni a mérés érzékenységének növelésére!

A kutatásom legfontosabb eredménye, hogy a vizsgált mérés alkalmas a kőzet hidrogéntartalmának meghatározására a kőzet típusától és a méréshez használt kút kialakításától függetlenül. Emellett kidolgoztam egy módszert a mérés fejlesztésére, amit a hazánkban is nagyon gyakran előforduló homokköves tárolókban lehet alkalmazni. Reményeim szerint ezek az eredmények hozzájárulnak ahhoz, hogy a jövőben megvalósulhasson a biztonságos felszínalatti hidrogéntárolás, ami fontos mérföldkő lenne a megújuló energiaforrások használatában.

Szűcs József Gábor geofizikus doktorandusz (ELTE Geofizikai és Űrtudományi Tanszék)

A kulturális és Innovációs Minisztérium EKÖP-24 kódszámú Egyetemi Kiválósági ÖsztöndÍj Programjának a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból finanszírozott szakmai támogatásával készült.