Hydro tự nhiên - Nguồn năng lượng sạch tiềm ẩn

Các quốc gia khác như Pháp, Canada, Úc và Mỹ mới chỉ phát hiện dấu hiệu hydro tự nhiên và đang trong quá trình nghiên cứu, đánh giá tiềm năng để hướng tới khai thác thương mại trong tương lai. Tại Việt Nam, khái niệm này còn khá mới mẻ và mới chỉ dừng lại ở mức độ khảo sát sơ bộ, chưa được quan tâm nghiên cứu sâu rộng. Tuy vậy, các nhà khoa học đã bắt đầu đặt câu hỏi: liệu dưới lòng đất nước ta có ẩn chứa nguồn năng lượng sạch này hay không? Nếu có, hydro tự nhiên có thể trở thành một phần quan trọng trong chiến lược năng lượng quốc gia, giúp giảm phụ thuộc vào than, khí nhập khẩu và tiến gần hơn tới mục tiêu trung hòa carbon.

1. Hydro tự nhiên là gì?

Hydro tự nhiên (hydro địa chất hay hydro trắng) là loại khí hydro xuất hiện một cách tự nhiên trong lòng đất, không cần đến quá trình sản xuất nhân tạo. Khác với hydro xanh - được tạo ra từ điện phân nước bằng năng lượng tái tạo - hay hydro xám - tách từ khí tự nhiên và thường đi kèm phát thải CO₂, hydro tự nhiên tồn tại sẵn trong các cấu trúc địa chất và có thể khai thác trực tiếp nếu tích tụ đủ lớn. Chính vì đặc điểm này, hydro tự nhiên được coi là một nguồn năng lượng sạch đầy tiềm năng, bởi khi sử dụng gần như không phát thải khí nhà kính, góp phần giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và hỗ trợ mục tiêu trung hòa carbon toàn cầu.

Hydro tự nhiên được hình thành từ những quá trình địa hóa và địa chất xảy ra sâu trong lòng đất qua hàng triệu năm. Một trong những cơ chế quan trọng nhất là phản ứng serpentin hóa, khi nước thấm vào các loại đá siêu mafic giàu olivin và pyroxen, tạo ra khí hydro.

Phản ứng serpentin hóa là một quá trình hóa học quan trọng giúp hình thành hydro trắng. Một trong những phản ứng chính liên quan đến sự chuyển đổi forsterite (Mg₂SiO₄) - một khoáng chất olivin - thành serpentine (Mg₃Si₂O₅(OH)₄), đồng thời giải phóng hydro

3Mg₂SiO₄+4H₂O→2Mg₃Si₂O₅(OH)₄+H₂

Ngoài ra, hoạt động núi lửa và thủy nhiệt cũng góp phần giải phóng hydro từ các suối nước nóng và hệ thống núi lửa đang hoạt động. Bên cạnh đó, trong các lớp trầm tích, sự phân hủy hữu cơ và khoáng chất có thể sinh ra hydro như một sản phẩm phụ. Cuối cùng, dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ cực cao, nước trong đá có thể bị phân tách thành hydro và oxy, bổ sung thêm nguồn hydro tự nhiên. Chính sự kết hợp của nhiều cơ chế này khiến hydro tự nhiên tồn tại ở những khu vực địa chất đặc thù, trở thành một nguồn năng lượng sạch tiềm ẩn trong lòng đất.

Hydro tự nhiên thường xuất hiện ở những vùng đứt gãy địa chất và có hoạt động kiến tạo mạnh, nơi các phản ứng địa hóa diễn ra mạnh mẽ và khí hydro có đường thoát lên từ sâu trong lòng đất theo các hệ thống đứt gãy. Hydro có thể được lưu giữ trong các tầng chứa dưới các lớp đá trầm tích không thấm - đóng vai trò như “tầng chắn” tương tự cơ chế giữ dầu khí, giúp khí không thoát ra ngoài mà tích tụ thành mỏ.

Chính vì vậy, những nơi gần khu vực có địa chất phức tạp, nhiều đứt gãy, núi lửa, hoặc đá siêu mafic thường là khu vực tiềm năng để tìm thấy hydro tự nhiên. Đây cũng là lý do các phát hiện trên thế giới tập trung ở những vùng như Mali (giếng Bourakébougou nằm trên nền đá siêu mafic), Pháp (Moselle - vùng có hệ thống đứt gãy), hay Canada (Saskatchewan - khu vực giàu đá biến chất từ đá móng granite).

Hydro vốn là một khí rất nhẹ, dễ thoát ra ngoài khí quyển. Tuy nhiên, trong lòng đất, nó có thể được lưu giữ lâu dài nhờ các điều kiện địa chất đặc biệt. Trước hết, hydro thường được sinh ra ở các tầng đá sâu, sau đó di chuyển lên trên qua các khe nứt và đứt gãy. Nếu gặp phải một lớp đá không thấm - tầng chắn, dòng khí sẽ bị giữ lại bên dưới, tạo thành các túi tích tụ tương tự như mỏ dầu khí. Ngoài ra, hydro có thể hòa tan một phần trong nước ngầm hoặc bị hấp phụ vào các khoáng chất, giúp hạn chế sự di thoát ra ngoài. Những cấu trúc địa chất hội tụ đủ các yếu tố để tạo thành bẫy chính là nơi hydro có khả năng được lưu giữ. Nhờ vậy, thay vì di thoát hết ra khí quyển, hydro tự nhiên có thể tồn tại và tích tụ thành các mỏ tiềm năng, mở ra triển vọng khai thác như một nguồn năng lượng sạch.

2. Quy trình từ tìm kiếm thăm dò Hydro tự nhiên đến khai thác và tiêu thụ

Hiện tại, do chưa có quy trình cụ thể trong công tác tìm kiếm thăm dò Hydro tự nhiên cho đến khai thác và tiêu thụ, nhóm tác giả dựa trên các thông tin và kế hoạch triển khai của Công ty Maxpower Mining Corp. - Công ty tìm kiếm thăm dò khí Hydro tự nhiên tại Canada để đưa ra quy trình sơ bộ cho chuỗi sản xuất Hydro tự nhiên như sau (Hình 1):

(i) Phân tích dữ liệu ban đầu: Khảo sát địa chất bề mặt, phân tích mẫu thực địa, phân tích kết quả các giếng đã khoan trong khu vực, nghiên cứu các dấu hiệu hydro tự nhiên trong lịch sử khu vực cùng với bản đồ địa vật lý để xác định khu vực tiềm năng cho thăm dò khí hydro.

(ii) Khảo sát cấu trúc dưới lòng đất: Khi đã xác định khu vực quan tâm/ triển vọng, tiếp tục nghiên cứu các dị thường cấu trúc ở các tầng đối tượng trên bản đồ từ trường và trọng lực hàng không độ phân giải cao.

(iii) Thu thập dữ liệu địa chấn: Tài liệu địa chấn 2D hoặc 3D cũ được sử dụng để dựng các bản đồ cấu trúc, cần thiết thì tiến hành thu nổ địa chấn 2D hoặc 3D mới để giảm thiểu rủi ro và xác định vị trí khoan tiềm năng.

(iv) Khoan và thử dòng: Các cấu tạo triển vọng được lựa chọn để khoan, chống ống, sau đó thử dòng ở tất cả các tầng triển vọng, tương tự như giếng khoan thăm dò dầu khí truyền thống. Dữ liệu thu thập từ giếng khoan và kết quả thử vỉa được phân tích để xác định tài nguyên tại chỗ và trữ lượng có khả năng thu hồi. Dựa trên quy mô tài nguyên và trữ lượng được xác định sẽ tiến hành xây dựng các kịch bản phát triển khai thác mỏ và bắt đầu quá trình đàm phán hợp đồng tiêu thụ với các khách hàng tiêu thụ.

(v) Xây dựng nhà máy và thương mại hóa: Cuối cùng, sau khi ký kết hợp đồng tiêu thụ, công ty hợp tác với đơn vị EPCM (Engineering, Procurement, Construction Management) và nhà chế tạo nhà máy xử lý khí để thiết kế, tối ưu hóa sản lượng dựa trên thành phần khí đã phát hiện. Bước kết thúc của quy trình là thương mại hóa và tạo doanh thu thông qua việc bán khí sạch cho khách hàng tiêu thụ.

3. Hiện trạng tìm kiếm thăm dò khai thác Hydro tự nhiên trên thế giới

Hydro tự nhiên đã được phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới, chứng minh rằng đây không chỉ là một khái niệm lý thuyết mà thực sự tồn tại và có thể trở thành nguồn năng lượng mới đầy hứa hẹn. Điển hình nhất là tại Mali, nơi từ năm 2012 một giếng hydro tự nhiên ở Bourakébougou đã được khai thác thử nghiệm và cung cấp điện cho cả một ngôi làng, trở thành ví dụ đầu tiên chứng minh hydro có thể khai thác trực tiếp và sử dụng ngay.

Giếng BOUGOU‑6 (Hình 2) là một trong 24 giếng khoan thăm dò hydro tự nhiên ở khu vực Bourakebougou, được Hydroma khoan từ năm 1987. Các tầng chứa hydro tự nhiên chính là dolomit neoproterozoic và trầm tích sâu hơn, có độ rỗng từ 0,21 - 14,32 % và độ bão hòa hydro cao. Giếng khoan này đã giúp Hydroma phát hiện hệ thống chứa hydro tự nhiên có khả năng tự nạp lại (spontaneously recharging) - khác biệt với dầu khí truyền thống. Dữ liệu neutron cho thấy phản ứng đặc trưng khi có mặt hydro, giúp xác định vùng chứa H₂ hiệu quả hơn so với chỉ dựa vào gas logging (Hình 3).

Hình 2. Bản đồ vị trí, mặt cắt địa chất và kết quả phân tích tài liệu địa vật lý giếng khoan - Giếng BOUGOU‑6, Mali (Nguồn tạp chí Nature 2023)

Hình 3. Dấu hiệu nhận biết Hydro tự nhiên trên tái liệu Neutron và Gas Logging, Mali (Nguồn tạp chí Nature 2023)

Hình 4. Hoạt động khoan khai thác Hydro tự nhiên tại Mali (nguồn Hydroma)

Ở Pháp, các nhà khoa học phát hiện dòng khí hydro thoát ra từ các khe nứt địa chất ở vùng Lorraine, và gần đây công bố mỏ hydro khổng lồ tại Moselle với trữ lượng ước tính hàng chục triệu tấn. Tại Mỹ, một số dự án thí điểm đang tiến hành khảo sát ở bang Nebraska và Kansas để đánh giá khả năng khai thác thương mại. Canada cũng đã ghi nhận hydro tự nhiên, với MaxPower Mining Corp phát hiện tại Lawson (Saskatchewan) và QIMC khảo sát ở Quebec, mở ra triển vọng mới cho quốc gia này. Ngoài ra, Albania phát hiện mỏ Bulqizë với trữ lượng khoảng 50.000 tấn hydro, trong khi Úc đã cấp hàng chục giấy phép khảo sát độc quyền để nghiên cứu nguồn năng lượng này. Những phát hiện trải rộng từ châu Phi, châu Âu đến Bắc Mỹ và châu Úc cho thấy hydro tự nhiên đang dần được nhận diện trên phạm vi toàn cầu, đặt nền móng cho một nguồn năng lượng sạch tiềm năng song hành cùng dầu khí truyền thống.

4. Bối cảnh Việt Nam

Việt Nam nằm trên vành đai kiến tạo phức tạp, với nhiều vùng có hoạt động địa chất mạnh mẽ, vì vậy tiềm năng tồn tại hydro tự nhiên là điều đáng để nghiên cứu. Trước hết, khu vực Tây Bắc với hệ thống đứt gãy sâu, đá biến chất và đá siêu mafic phong phú, là ứng viên tiềm năng cho phản ứng serpentin hóa - cơ chế chính sinh hydro. Tiếp đó, miền Trung, đặc biệt là dải Trường Sơn, có nhiều hoạt động kiến tạo, núi lửa cổ và hệ thống suối nước nóng, cũng là nơi có khả năng hydro thoát ra từ lòng đất. Ngoài ra, các vùng đồng bằng ven biển với lớp đá trầm tích dày, có thể đóng vai trò như tầng chắn giữ hydro lại bên dưới, tương tự cơ chế lưu giữ dầu khí.

Như vậy, những khu vực có đá siêu mafic, nhiều đứt gãy, hoạt động thủy nhiệt và lớp đá trầm tích phủ kín chính là nơi hydro tự nhiên có khả năng được sinh ra và tồn tại trong các bẫy chứa có đủ điều kiện.

Hiện nay, tại Việt Nam vẫn chưa có bất kỳ phát hiện nào về hydro tự nhiên. Các nghiên cứu địa chất mới chỉ dừng lại ở mức khảo sát sơ bộ, chưa đưa ra bằng chứng rõ ràng về sự tồn tại của nguồn năng lượng này. Tuy vậy, với đặc điểm địa chất đa dạng, Việt Nam sở hữu nhiều khu vực tiềm năng để tìm kiếm hydro tự nhiên, đặc biệt là những vùng có núi đá vôi, hệ thống đứt gãy địa chất phức tạp và hoạt động kiến tạo mạnh. Đây chính là những điều kiện thuận lợi cho quá trình hình thành và lưu giữ hydro trong lòng đất, mở ra triển vọng nghiên cứu và khai thác trong tương lai nếu được đầu tư khảo sát bài bản.

Hydro tự nhiên nếu được phát hiện và khai thác tại Việt Nam sẽ mang lại nhiều lợi ích chiến lược. Trước hết, đây là một nguồn năng lượng sạch, gần như không phát thải CO₂ trong quá trình khai thác và sử dụng, góp phần quan trọng vào mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính. Thứ hai, hydro tự nhiên có thể giúp giảm phụ thuộc vào nhập khẩu LNG và than, vốn đang chiếm tỷ trọng lớn trong cơ cấu năng lượng quốc gia. Xa hơn, nếu trữ lượng đủ lớn, hydro hoàn toàn có thể trở thành mặt hàng xuất khẩu chiến lược, tương tự như LNG hiện nay. Nếu Việt Nam sở hữu nguồn hydro tự nhiên sẽ tạo nên một lợi thế cạnh tranh vượt trội, mở ra cơ hội tham gia sâu hơn vào chuỗi giá trị năng lượng sạch toàn cầu.

Một trong những thách thức lớn đối với việc khai thác hydro tự nhiên là công nghệ hiện nay vẫn chưa có chuẩn mực rõ ràng như dầu và khí truyền thống, đòi hỏi thêm nhiều nghiên cứu và thử nghiệm để đảm bảo hiệu quả cũng như an toàn. Bên cạnh đó, chi phí thăm dò cũng rất cao, bởi quá trình khoan sâu và khảo sát địa chất tiềm ẩn nhiều rủi ro, dễ dẫn đến thất bại nếu không có dữ liệu chắc chắn. Về mặt pháp lý, Việt Nam hiện chưa có khung quy định cụ thể cho hoạt động khai thác hydro tự nhiên, khiến việc triển khai trên thực tế gặp nhiều trở ngại. Kinh nghiệm từ Mali cho thấy, dự án Bourakébougou thành công nhờ quy mô nhỏ, chi phí vừa phải và phục vụ trực tiếp cộng đồng địa phương, nhưng để mở rộng lên quy mô công nghiệp, cần nguồn vốn lớn, công nghệ tiên tiến và hành lang pháp lý rõ ràng.

Để cân bằng những thách thức và rủi ro đã nêu, Việt Nam cần có những giải pháp đồng bộ nhằm chuẩn bị cho việc nghiên cứu, thăm dò và khai thác hydro tự nhiên trong tương lai. Trước hết, cần đầu tư vào nghiên cứu khoa học địa chất, địa vật lý gắn với khoan và hệ quan trắc thử nghiệm, thông qua hợp tác quốc tế để tiếp cận các phương pháp thăm dò, khai thác tiên tiến, đồng thời xây dựng đội ngũ chuyên gia trong nước. Đây sẽ là một phần trong chương trình điều tra cơ bản của Quốc gia cần được sớm xây dựng, phê duyệt và triển khai.

Song song với đó, việc huy động nguồn vốn từ cả khu vực công và tư nhân là rất quan trọng, bởi thăm dò hydro tự nhiên đòi hỏi chi phí lớn, rủi ro cao, nhưng sẽ rất thành công nếu có các phát hiện thương mại. Một giải pháp khác là sớm xây dựng khung pháp lý và chính sách quản lý rõ ràng, tạo nền tảng cho các dự án thí điểm và thu hút nhà đầu tư. Cuối cùng, Việt Nam nên triển khai các dự án quy mô nhỏ ở những khu vực tiềm năng để vừa kiểm chứng khả năng tồn tại, khai thác, vừa giảm thiểu rủi ro trước khi mở rộng lên quy mô công nghiệp. Những bước đi này sẽ giúp Việt Nam không chỉ vượt qua thách thức, mà còn tận dụng cơ hội để đưa hydro tự nhiên trở thành một phần trong chiến lược năng lượng sạch quốc gia.

5. Kết luận

Hydro tự nhiên là một nguồn năng lượng sạch tiềm ẩn, chưa được quan tâm nghiên cứu, đánh giá đầy đủ ở Việt Nam nhưng đang mở ra triển vọng lớn. Câu hỏi “Liệu Việt Nam có hydro tự nhiên hay không?” vẫn còn bỏ ngỏ, nhưng việc chuẩn bị từ sớm sẽ giúp chúng ta không bỏ lỡ cơ hội trong cuộc cách mạng năng lượng toàn cầu.

Mặc dù, Hydro tự nhiên vẫn là một dấu hỏi lớn đối với Việt Nam, nhưng thế giới đã chứng minh rằng nó không chỉ là lý thuyết. Trong cuộc đua toàn cầu hướng tới trung hòa carbon, việc tìm kiếm và chuẩn bị cho khả năng khai thác hydro tự nhiên chính là bước đi chiến lược để không bị bỏ lại phía sau. Có thể hôm nay chúng ta mới chỉ dừng ở những khảo sát ban đầu, nhưng nếu ngày mai tìm thấy “mỏ vàng trắng” này, đó sẽ là bước ngoặt cho an ninh năng lượng quốc gia. Hydro tự nhiên - nguồn năng lượng sạch tiềm ẩn - đang chờ được khám phá, và câu trả lời sẽ đến bằng chính những nỗ lực nghiên cứu một cách sáng tạo và triển khai một cách thông thái nhất từ ngày hôm nay.

TS. Nguyễn Quốc Thập

Chủ tịch Hội Dầu khí Việt Nam

TS. Phùng Khắc Hoàn

Tổng Giám đốc Công ty Big Energy

Thành viên Hội đồng Quản trị Công ty Maxpower Mining Corp.