摘要：

地下天然氫的未來充滿希望，全球已掀起了天然氫的探尋熱潮。在未來的能源格局中, 需要尋找更多經(jīng)濟、可行的“ 低碳” 甚至“ 零碳” 氫氣的生產(chǎn)途徑, 而地下無處不在的天然氫或?qū)⒊蔀槲磥砟茉锤锩闹饕е?/span>

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

據(jù)高盛稱，到2030年，該市場將增長一倍多，達到2,500億美元，到2050年價值1萬億美元。地下天然氫的未來充滿希望，有可能徹底改變?nèi)蚰茉锤窬帧?/span>

美國地質(zhì)調(diào)查局一項未發(fā)表的研究表明，地球上可能儲存有1萬億噸天然氫氣，足以滿足未來數(shù)千年燃料和肥料不斷增長的需求。

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

圖說：“尋找天然氫源的熱潮”位列2023《Science》年度十大科學突破

來源：Science

01 天然氫源自何方？

氫能被稱為“21世紀的終極能源”，對推動能源轉(zhuǎn)型、促進全球經(jīng)濟可持續(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自化石能源制氫，其過程會排放大量二氧化碳，也被稱為“灰氫”。在這個制取過程中，如果加上二氧化碳的捕獲，則被稱為“藍氫”。而利用可再生能源電解水生產(chǎn)的“綠氫”，因為價格昂貴，目前還非常少，產(chǎn)量僅占氫氣總產(chǎn)量的不到1%。

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

在石油工業(yè)中, 人們曾一直認為天然氫是不存在的。因為富含有機物的頁巖或泥巖等產(chǎn)油氣的沉積巖在壓實和加熱時，這些巖石中的碳分子會消耗所有可用的氫并形成更長鏈的碳氫化合物。同時，氫還可以與巖石中的氧氣反應形成水或與二氧化碳結(jié)合形成“非生物”甲烷。地質(zhì)學家還認為，即使氫幸存下來，也不應該積累起來。

但自21世紀初以來，“從地質(zhì)的視角來看, 天然氫被忽略了”的情況發(fā)生了變化。2002年, 英國地質(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)學家認真對待氫的時候了”。在實踐中，隨著21世紀初俄羅斯發(fā)現(xiàn)了第一個天然氫礦床, 以及加拿大Hydroma公司第一次在非洲馬里利用天然氫進行發(fā)電開始, 人們對天然氫認識也得到了逐步加強。

圖說：地球上的氫氣工廠

來源：Science

圖說：鎂橄欖石等橄欖石礦物與地下水相互作用時可以產(chǎn)生氫氣

來源：USGS

一旦氫氣形成，各種自然過程就會消耗這種氣體。這些過程中未消耗的任何氫氣都可能到達多孔巖石，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將氣體固定在適當?shù)奈恢谩?/span>

幾十年來，地球科學家一直認為密封巖石無法有效地抑制氫的積累，因為氫的密度較小，即使是最致密的巖石也能使其逸出。然而，研究表明，兩個氫原子分子的直徑大約等于單個氦原子分子的直徑，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)保存了長達一億年，因此可以合理地假設氫可以被捕獲類似的時間跨度。

圖說：Mpumalanga 發(fā)現(xiàn)的天然氫礦藏

來源：University of Pretoria

02 尋氫熱潮風靡全球

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

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

圖說：世界各地天然氫逸出地表的圓形、橢圓形洼地(“ 仙女圈” )

來源：能源轉(zhuǎn)型背景下不可忽視的新能源: 天然氫

除了科學界掀起了探尋天然氫的熱潮，世界上多個國家也躍躍欲試，開始了尋找天然氫的活動。

這場探尋天然氫的新熱潮可以追溯到西非內(nèi)陸國家馬里的一個不起眼小鎮(zhèn)布拉克布古（Bourakébougou）。2012年，工程師們在這里拔掉了在1987年由一根香煙引發(fā)爆炸后用水泥封閉的一個鉆孔，發(fā)現(xiàn)它噴出的氣體98%是氫氣。人們由此連了一臺發(fā)電機，為該村莊提供了第一批電力。令人驚奇的是，經(jīng)過十年的抽取后，鉆孔中的氣體壓力并沒有下降，這表明地底深層正源源不斷地補充氫氣。

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

今年以來，全球各地關于天然氫的好消息更是紛至沓來。

今年3月，韓國國家石油公司（KNOC）表示自去年以來，該公司一直在該國尋找天然氫氣，測量不同土壤中出現(xiàn)的氣體，并為其新型氫氣檢測探測器申請了專利。初步研究似乎已經(jīng)確定了五個未公開地點的土壤中存在氫，該公司目前正在進行研究以確認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)一個儲量超過100萬噸的氫氣儲層，計劃于2024年鉆探更多勘探井并希望在 2028 年開始商業(yè)化生產(chǎn)。該公司首席執(zhí)行官an Munro告訴當?shù)貓蠹垼墓究梢砸?0.75 歐元/公斤的價格生產(chǎn)天然氫。此外，Helios在其網(wǎng)站上估計，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：法國“仙女環(huán)”衛(wèi)星視圖

來源：45-8 Energy

5月，在法國東北部，當?shù)仉娏吞烊粴馍a(chǎn)商法國能源公司 (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。科學家們發(fā)現(xiàn)，在 1,093 米深處的石炭紀巖層中發(fā)現(xiàn)的流體含有 15% 的氫，并估計地下 3,000 米處氫濃度為 98%。

法國國家科學研究中心的科學家雅克·皮羅農(nóng) (Jacques Pironon) 說，這令人驚訝。它表明下面存在一個巨大的氫氣庫。他們進行了計算，估計該沉積物可能含有 600 萬至 2.5 億噸氫?。皮羅農(nóng)補充說，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)已提交法國東北部大東部地區(qū)2,254平方公里的獨家采礦勘探許可證申請，并計劃在三個現(xiàn)有井中進行新的氫濃度測量，以進一步豐富對洛林地質(zhì)背景下白氫形成、轉(zhuǎn)移和生產(chǎn)機制的研究。值得注意的是，在12月13日“法國2030”國家投資計劃兩周年紀念活動中，法國總統(tǒng)馬克龍表示：“在‘法國 2030’中，我們將提供大量資金來探索白氫的潛力。法國是天然氫儲量最多的國家之一，并可以成為未來這種能源生產(chǎn)的先導國家之一。”他同時指出，政府最近批準了一個“研究項目”，探索比利牛斯-大西洋地區(qū)的天然氫。

圖說：位于澳大利亞的天然氫勘探井

來源：Gold Hydrogen

圖說：海外天然氫開發(fā)項目進展

來源：能景研究

03 初創(chuàng)公司助推淘氫熱潮

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

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

Kolomo 認為，地下鐵基/鎂基礦物在水中分解產(chǎn)生富含氫液體的過程在全球范圍內(nèi)每年可產(chǎn)生約 2300 萬噸天然氫，相當于近占當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，盡管該公司仍然對美國具體鉆探地點和鉆探時間守口如瓶。