摘要：

地下天然氫的未來(lái)充滿希望，全球已掀起了天然氫的探尋熱潮。在未來(lái)的能源格局中, 需要尋找更多經(jīng)濟(jì)、可行的“ 低碳” 甚至“ 零碳” 氫氣的生產(chǎn)途徑, 而地下無(wú)處不在的天然氫或?qū)⒊蔀槲磥?lái)能源革命的主要支柱。

“尋找天然氫源的熱潮”于12月14日被《科學(xué)》（Science）雜志列為2023年度十大科學(xué)突破之一，成為今年最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科學(xué)進(jìn)展及未來(lái)趨勢(shì)之一。

據(jù)高盛稱，到2030年，該市場(chǎng)將增長(zhǎng)一倍多，達(dá)到2,500億美元，到2050年價(jià)值1萬(wàn)億美元。地下天然氫的未來(lái)充滿希望，有可能徹底改變?nèi)蚰茉锤窬帧?/span>

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局一項(xiàng)未發(fā)表的研究表明，地球上可能儲(chǔ)存有1萬(wàn)億噸天然氫氣，足以滿足未來(lái)數(shù)千年燃料和肥料不斷增長(zhǎng)的需求。

被稱為 “白氫”或者“金氫”的天然氫是如何產(chǎn)生的？為何被評(píng)為十大科學(xué)突破之一？又引發(fā)了怎樣的探尋熱潮？未來(lái)將如何改變能源格局？

圖說(shuō)：“尋找天然氫源的熱潮”位列2023《Science》年度十大科學(xué)突破

來(lái)源：Science

01 天然氫源自何方？

氫能被稱為“21世紀(jì)的終極能源”，對(duì)推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型、促進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展意義重大，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一。

但目前人類生產(chǎn)的絕大部分氫氣主要來(lái)自化石能源制氫，其過(guò)程會(huì)排放大量二氧化碳，也被稱為“灰氫”。在這個(gè)制取過(guò)程中，如果加上二氧化碳的捕獲，則被稱為“藍(lán)氫”。而利用可再生能源電解水生產(chǎn)的“綠氫”，因?yàn)閮r(jià)格昂貴，目前還非常少，產(chǎn)量?jī)H占?xì)錃饪偖a(chǎn)量的不到1%。

尋找更多經(jīng)濟(jì)、可行的“低碳”甚至“零碳”氫氣，成為科學(xué)家們追尋的目標(biāo)。因此，蘊(yùn)藏在地下的天然氫逐漸進(jìn)入人們的視野。

在石油工業(yè)中, 人們?cè)恢闭J(rèn)為天然氫是不存在的。因?yàn)楦缓袡C(jī)物的頁(yè)巖或泥巖等產(chǎn)油氣的沉積巖在壓實(shí)和加熱時(shí)，這些巖石中的碳分子會(huì)消耗所有可用的氫并形成更長(zhǎng)鏈的碳?xì)浠衔铩Ｍ瑫r(shí)，氫還可以與巖石中的氧氣反應(yīng)形成水或與二氧化碳結(jié)合形成“非生物”甲烷。地質(zhì)學(xué)家還認(rèn)為，即使氫幸存下來(lái)，也不應(yīng)該積累起來(lái)。

但自21世紀(jì)初以來(lái)，“從地質(zhì)的視角來(lái)看, 天然氫被忽略了”的情況發(fā)生了變化。2002年, 英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的Smith N J P便在《第一次突破》雜志上呼吁“ 是需要勘探地質(zhì)學(xué)家認(rèn)真對(duì)待氫的時(shí)候了”。在實(shí)踐中，隨著21世紀(jì)初俄羅斯發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)天然氫礦床, 以及加拿大Hydroma公司第一次在非洲馬里利用天然氫進(jìn)行發(fā)電開(kāi)始, 人們對(duì)天然氫認(rèn)識(shí)也得到了逐步加強(qiáng)。

圖說(shuō)：地球上的氫氣工廠

來(lái)源：Science

圖說(shuō)：鎂橄欖石等橄欖石礦物與地下水相互作用時(shí)可以產(chǎn)生氫氣

來(lái)源：USGS

一旦氫氣形成，各種自然過(guò)程就會(huì)消耗這種氣體。這些過(guò)程中未消耗的任何氫氣都可能到達(dá)多孔巖石，在那里形成氣體聚集。但為了使聚集持續(xù)存在，必須存在有效的密封巖來(lái)將氣體固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/span>

幾十年來(lái)，地球科學(xué)家一直認(rèn)為密封巖石無(wú)法有效地抑制氫的積累，因?yàn)闅涞拿芏容^小，即使是最致密的巖石也能使其逸出。然而，研究表明，兩個(gè)氫原子分子的直徑大約等于單個(gè)氦原子分子的直徑，并且這兩種氣體很可能被相似的巖層捕獲。已知氦氣的積累已經(jīng)保存了長(zhǎng)達(dá)一億年，因此可以合理地假設(shè)氫可以被捕獲類似的時(shí)間跨度。

圖說(shuō)：Mpumalanga 發(fā)現(xiàn)的天然氫礦藏

來(lái)源：University of Pretoria

02 尋氫熱潮風(fēng)靡全球

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的地質(zhì)學(xué)家杰弗里·埃利斯堅(jiān)信，地球內(nèi)部的氫含量可能構(gòu)成主要能源。他說(shuō)：“關(guān)鍵是要了解氫是否大量存在且可以經(jīng)濟(jì)地獲取，如果存在，如何找到這些資源。”

格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)地球化學(xué)名譽(yù)教授尼克·阿恩特也表示：“現(xiàn)在真正的挑戰(zhàn)是在世界上找到儲(chǔ)量足夠高、濃度足夠高的地方。因此，科學(xué)家們目前正在世界上那些我們知道存在氫儲(chǔ)量的地方尋找氫。”

圖說(shuō)：世界各地天然氫逸出地表的圓形、橢圓形洼地(“ 仙女圈” )

來(lái)源：能源轉(zhuǎn)型背景下不可忽視的新能源: 天然氫

除了科學(xué)界掀起了探尋天然氫的熱潮，世界上多個(gè)國(guó)家也躍躍欲試，開(kāi)始了尋找天然氫的活動(dòng)。

這場(chǎng)探尋天然氫的新熱潮可以追溯到西非內(nèi)陸國(guó)家馬里的一個(gè)不起眼小鎮(zhèn)布拉克布古（Bourakébougou）。2012年，工程師們?cè)谶@里拔掉了在1987年由一根香煙引發(fā)爆炸后用水泥封閉的一個(gè)鉆孔，發(fā)現(xiàn)它噴出的氣體98%是氫氣。人們由此連了一臺(tái)發(fā)電機(jī)，為該村莊提供了第一批電力。令人驚奇的是，經(jīng)過(guò)十年的抽取后，鉆孔中的氣體壓力并沒(méi)有下降，這表明地底深層正源源不斷地補(bǔ)充氫氣。

目前，全球多地都發(fā)現(xiàn)了天然氫礦床，包括美國(guó)、東歐、俄羅斯、澳大利亞、阿曼以及法國(guó)和馬里。它們有些是偶然發(fā)現(xiàn)的，另一些是通過(guò)尋找線索而發(fā)現(xiàn)的，比如氫氣從深部向地表運(yùn)移, 在流體流動(dòng)通道形成了被稱為“仙女圈”的地表圓形洼地。

今年以來(lái)，全球各地關(guān)于天然氫的好消息更是紛至沓來(lái)。

今年3月，韓國(guó)國(guó)家石油公司（KNOC）表示自去年以來(lái)，該公司一直在該國(guó)尋找天然氫氣，測(cè)量不同土壤中出現(xiàn)的氣體，并為其新型氫氣檢測(cè)探測(cè)器申請(qǐng)了專利。初步研究似乎已經(jīng)確定了五個(gè)未公開(kāi)地點(diǎn)的土壤中存在氫，該公司目前正在進(jìn)行研究以確認(rèn)并精確分析地表下的物質(zhì)。

4月初，勘探公司Helios Aragón 表示在西班牙北部比利牛斯山脈山麓發(fā)現(xiàn)一個(gè)儲(chǔ)量超過(guò)100萬(wàn)噸的氫氣儲(chǔ)層，計(jì)劃于2024年鉆探更多勘探井并希望在 2028 年開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)。該公司首席執(zhí)行官an Munro告訴當(dāng)?shù)貓?bào)紙，他的公司可以以 0.75 歐元/公斤的價(jià)格生產(chǎn)天然氫。此外，Helios在其網(wǎng)站上估計(jì)，到 2060 年，其生產(chǎn)天然氫氣的成本將低至 0.50 美元/千克（成本范圍上限為 1.25 美元/千克），而灰色氫氣的成本為 0.75-1.6 美元/千克，電解氫氣的成本為 0.75-3.25 美元/千克。

圖說(shuō)：法國(guó)“仙女環(huán)”衛(wèi)星視圖

來(lái)源：45-8 Energy

5月，在法國(guó)東北部，當(dāng)?shù)仉娏吞烊粴馍a(chǎn)商法國(guó)能源公司 (FDE) 在先前鉆探的一口井中發(fā)現(xiàn)了“大量”自然產(chǎn)生的氫氣。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在 1,093 米深處的石炭紀(jì)巖層中發(fā)現(xiàn)的流體含有 15% 的氫，并估計(jì)地下 3,000 米處氫濃度為 98%。

法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的科學(xué)家雅克·皮羅農(nóng) (Jacques Pironon) 說(shuō)，這令人驚訝。它表明下面存在一個(gè)巨大的氫氣庫(kù)。他們進(jìn)行了計(jì)算，估計(jì)該沉積物可能含有 600 萬(wàn)至 2.5 億噸氫?。皮羅農(nóng)補(bǔ)充說(shuō)，這可能使其成為迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大的“白氫”礦床之一。

FDE現(xiàn)已提交法國(guó)東北部大東部地區(qū)2,254平方公里的獨(dú)家采礦勘探許可證申請(qǐng)，并計(jì)劃在三個(gè)現(xiàn)有井中進(jìn)行新的氫濃度測(cè)量，以進(jìn)一步豐富對(duì)洛林地質(zhì)背景下白氫形成、轉(zhuǎn)移和生產(chǎn)機(jī)制的研究。值得注意的是，在12月13日“法國(guó)2030”國(guó)家投資計(jì)劃兩周年紀(jì)念活動(dòng)中，法國(guó)總統(tǒng)馬克龍表示：“在‘法國(guó) 2030’中，我們將提供大量資金來(lái)探索白氫的潛力。法國(guó)是天然氫儲(chǔ)量最多的國(guó)家之一，并可以成為未來(lái)這種能源生產(chǎn)的先導(dǎo)國(guó)家之一。”他同時(shí)指出，政府最近批準(zhǔn)了一個(gè)“研究項(xiàng)目”，探索比利牛斯-大西洋地區(qū)的天然氫。

圖說(shuō)：位于澳大利亞的天然氫勘探井

來(lái)源：Gold Hydrogen

圖說(shuō)：海外天然氫開(kāi)發(fā)項(xiàng)目進(jìn)展

來(lái)源：能景研究

03 初創(chuàng)公司助推淘氫熱潮

面對(duì)誘人的前景，除了上文提到的Gold Hydrogen，還有更多的初創(chuàng)公司也不甘落后，準(zhǔn)備搭乘天然氫這趟通向未來(lái)的高速列車。

總部位于丹佛的 Koloma 成立于兩年前，其聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官湯姆·達(dá)拉 (Tom Darrah) 是俄亥俄州立大學(xué) (OSU) 地球科學(xué)教授，擁有 16 項(xiàng)與氫提取相關(guān)的專利，其中一項(xiàng)專利涉及使用衛(wèi)星和人工智能輔助激光成像來(lái)分析可能含有地下天然氫或氦的地點(diǎn)。

Kolomo 認(rèn)為，地下鐵基/鎂基礦物在水中分解產(chǎn)生富含氫液體的過(guò)程在全球范圍內(nèi)每年可產(chǎn)生約 2300 萬(wàn)噸天然氫，相當(dāng)于近占當(dāng)今氫氣需求總量的四分之一。目前，Kolomo已從投資者那里籌集了9100萬(wàn)美元，其中包括比爾·蓋茨創(chuàng)立的投資公司 Breakthrough Energy Ventures，盡管該公司仍然對(duì)美國(guó)具體鉆探地點(diǎn)和鉆探時(shí)間守口如瓶。