世界第一口刺激氫井今年將開鉆，“金氫”熱潮會否重塑未來能源格局

作為最理想的清潔能源之一，氫能在構(gòu)建零碳地球中的地位舉足輕重。到2050年，全球氫能需求將增至目前的10倍。目前，全球每年使用的1億噸氫能主要來自合成，但這只可能是氫能供應(yīng)的一小部分，氫經(jīng)濟起飛的希望在天然氫。

自從天然氫源發(fā)現(xiàn)以來，一股尋找“金氫”的熱潮已在全球興起。“金氫”的稱謂，表明了天然氫源相較于工業(yè)氫更經(jīng)濟、更低碳的優(yōu)勢。盡管預(yù)估儲量高達萬億噸，但如何合理開采利用天然氫這一寶貴資源，仍是擺在人類面前的一道難題。

今年，世界首個刺激氫井將在阿曼開鉆。天然氫開采和生產(chǎn)一旦實現(xiàn)商業(yè)化，將極大推動化石燃料的淘汰進程，重塑未來能源格局。

——編者

駛出馬斯喀特，阿曼首都的白色建筑被哈杰爾山脈前面的一片開闊沙漠所取代。乘坐越野車行駛了兩小時，地球物理學(xué)家阿馬爾·阿拉利與同事終于到達了此行的目的地。那是在沙漠中的一汪寧靜泉水，水邊環(huán)繞著金色的草地和椰棗樹。阿拉利看著泉水中冒出的一股氣泡，不以為然地皺了皺眉頭。他說：“這是在浪費能源。”

阿拉利之所以來到這里，是因為阿曼的山脈是全球范圍內(nèi)正在尋找的一種最具潛在變革性的燃料的最佳地點之一，這種全新燃料有時被稱為“金氫”。“金氫”無色無味，燃燒時除了水之外什么也不會產(chǎn)生，比化石能源更加清潔環(huán)保。然而，目前人們還必須通過排放密集型工藝來制造這種氣體。但在阿曼山區(qū)以及世界上其他具有類似地質(zhì)構(gòu)造的地方，氫氣是在地下自然產(chǎn)生的，而且潛在儲量巨大。

支持使用“金氫”的人們表示，這種能源的廣泛使用將極大加速實現(xiàn)凈零排放。這也是為何研究人員和初創(chuàng)公司正在廣泛地尋找這種能源。

然而，仍有許多問題懸而未決。比如，地球上的氫氣儲量究竟有多少？它們勘探的難度有多大？這些目前尚無定論。阿拉利還是地質(zhì)能源公司伊甸地質(zhì)能源的聯(lián)合創(chuàng)始人，他想做一個更加雄心勃勃的試驗：嘗試通過刺激巖層來增加氫氣的產(chǎn)量。

氫動力經(jīng)濟的夢想已經(jīng)存在了幾十年。這個夢想一旦實現(xiàn)，將意味著世界上的卡車、輪船、飛機和重工業(yè)都將使用清潔能源，而不是污染環(huán)境的化石燃料。不過問題是，我們必須自己制造氫氣，這需要耗費能源，還會產(chǎn)生污染。目前，全球每年使用的1億噸氫氣幾乎都是通過天然氣與水蒸氣反應(yīng)制取的，而這一過程會釋放出大量二氧化碳。盡管也有一些更清潔的制氫方法，包括利用可再生能源從水中制取“綠色氫氣”，但這些方法目前在該行業(yè)中只占很小份額。

地質(zhì)氫現(xiàn)身

地下儲量或達萬億噸

曾經(jīng)，氫氣被認為無法像石油天然氣那樣在地層中大量積蓄。但新修訂的模型卻顯示，地球巖層中可能蘊藏有萬億噸天然氫氣——只要能獲取其中的一小部分，就足以滿足人類幾個世紀的氫氣需求

無論如何，合成氫只可能是氫能供應(yīng)的一小部分，天然氫氣或許才是真正的大規(guī)模使用的氫能來源。

盡管氫是宇宙中含量最多的元素，大多數(shù)研究人員卻認為，地球上以氣態(tài)形式存在的氫十分稀少——尋找化石燃料的鉆探人員有時會在油井中發(fā)現(xiàn)氫氣，海洋探險家也會看到氫氣從海底噴口汩汩流出，但這些發(fā)現(xiàn)都被視為特例。大家都認為，氫氣過于活躍，無法像石油天然氣那樣在地層中大量積蓄，因此過去十多年，大多數(shù)人對天然氫氣不抱有期待，也沒有人積極尋找天然氫藏。

在海底或大陸噴氣孔、溫泉口、“仙女圈”或地質(zhì)構(gòu)造裂縫處，均已發(fā)現(xiàn)天然氫含量較高。

然而，這一認知在2012年受到了挑戰(zhàn)。人們在馬里共和國的布拉克布古鎮(zhèn)附近發(fā)現(xiàn)了一口儲有大量氫氣的水井。井中的氫氣是自然產(chǎn)生的，這意味著獲取氫氣的唯一能耗只在于將它們收集起來。

這種氫氣被賦予多種名稱：白氫、天然氫和金氫，但最正規(guī)的名稱是地質(zhì)氫。自此之后，人們開始了對地質(zhì)氫的大規(guī)?？碧?，并在法國、西班牙和澳大利亞發(fā)現(xiàn)了地質(zhì)氫的重要潛在地下儲層。如今，全球各地均發(fā)現(xiàn)了這種氫藏的蛛絲馬跡。對此，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊美國《科學(xué)》雜志將“尋找天然氫源的熱潮”列為2023年度的“十大科學(xué)突破”之一。

在美國，有好幾家公司正在進行鉆井勘探，其中包括一家低調(diào)的初創(chuàng)公司科羅馬。這家公司得到了由比爾·蓋茨創(chuàng)立的風(fēng)險投資公司提供的近1億美元的支持。“很多人滿世界在找天然氫。”法國一名獨立顧問埃里克-戈謝爾離開了一家大型石油天然氣公司，轉(zhuǎn)而研究天然氫氣，“總有人有朝一日會找到量大且經(jīng)濟的氫氣，我對此深信不疑”。

2022年，美國地質(zhì)勘探局的研究人員根據(jù)對氫氣形成過程的了解，修訂了他們對地下氫氣儲量的估算模型。該模型顯示，地球巖層中可能蘊藏有萬億噸天然氫氣，這遠遠超出人們之前的預(yù)測——只要能開發(fā)其中的1%，就足以滿足人類幾個世紀的氫氣需求。

不過，也有不少人認為，地球上真正含有多少氫氣，以及有多少氫氣可以開采出來，這些都還是未知數(shù)，地質(zhì)氫是如何產(chǎn)生的也不清楚。研究人員認為，至少有一部分氫氣是在地球形成過程中，從地幔逐漸滲入地殼的；另一部分氫氣則可能是放射性巖石將水分解成氧氣和氫氣而產(chǎn)生的；還有可能是蛇紋石化的過程，即地下水與巖石中如橄欖石之類富含鐵的礦物發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鐵和氫氣。

金氫獵人

蛛絲馬跡中發(fā)現(xiàn)天然氫藏

地質(zhì)氫已從一個邊緣新興事物變成了受人關(guān)注的焦點，大多數(shù)“金氫獵人”將蛇紋石化過程作為探尋天然氫藏的突破口，也有人開始利用機器學(xué)習(xí)識別衛(wèi)星遙感圖像中的“仙女圈”，有人甚至嘗試刺激地層產(chǎn)氫

埃文·麥金泰爾供職于海特拉，這是澳大利亞一家專注于地質(zhì)氫的公司。他表示，盡管有不少人仍對“金氫熱”持謹慎態(tài)度，但地質(zhì)氫確實已經(jīng)從一個邊緣新興事物變成了受人關(guān)注的焦點——哪怕地質(zhì)氫只能滿足人類日益增長的氫氣需求中的兩三成，也會省下大量原本用于制造綠色氫氣的清潔能源，“如果地表下能持續(xù)產(chǎn)生氫氣，它甚至可能成為一種可再生能源”。

大多數(shù)“金氫獵人”把蛇紋石化過程作為突破口。天然氫能源公司的創(chuàng)始人維亞切斯拉夫·茲貢尼克分享了一種看法：富鐵巖石區(qū)域可能會產(chǎn)生大量氫氣。他的公司去年在美國內(nèi)布拉斯加州鉆了一口井來尋找氫氣，經(jīng)驗老到的勘探者試圖發(fā)掘覆蓋著不透水層的富鐵巖石區(qū)域，認為“金氫”這種珍貴的燃料可能會被密封在地下并蓄積起來。

美國氫能源初創(chuàng)公司科羅馬和澳大利亞投資公司海特拉也在用同樣的方式在美國中西部尋找“金氫”。戈謝爾表示，在橫跨法國和西班牙的比利牛斯山脈，人們同樣發(fā)現(xiàn)了可能含有數(shù)千萬噸氫氣的礦藏，“這也許是由于異常接近地表的、富含鐵的地幔巖石隆起所致”。

天然氫產(chǎn)生的地質(zhì)構(gòu)造示意圖（圖片來源：編譯自Science）

在阿曼，由于該地區(qū)獨特的構(gòu)造歷史，這種富含鐵的地質(zhì)構(gòu)造更為多見。就在不到1億年前，阿拉伯海的地下板塊與陸地板塊發(fā)生了碰撞。通常來說，此類事件會導(dǎo)致地殼被迫下沉到地幔中，但在這里，地殼被向上擠壓，這一過程被稱為“仰沖”。這一地質(zhì)過程導(dǎo)致了哈杰爾山脈的形成，也使這一區(qū)域成為地球上最大的地幔巖石裸露區(qū)——主要由富含鐵的橄欖巖組成。在一個遍布這種綠白相間的巨大巖石的山谷里，一條小溪流淌在巖石上，而這些巖石就曾位于地幔和地殼的交界處。

還有另一種方法來確定適合開采氫氣的區(qū)域。去年12月，在美國地球物理聯(lián)盟會議上，有一場會議專門討論了如何利用機器學(xué)習(xí)識別衛(wèi)星圖像中的裸土環(huán)（有時被稱為“仙女圈”）。美國俄亥俄州立大學(xué)的約阿希姆·莫爾特加特參與了這項工作。他表示，已經(jīng)在50多個這樣的圓環(huán)形土壤中測到了氫氣，但氫氣與這些神秘地形之間的關(guān)系尚不清楚。

這一發(fā)現(xiàn)令人興奮。不過，地質(zhì)氫作為一種燃料仍有不足之處，尤其是在長距離運輸方面。首先，它具有易爆性。其次，由于氫氣體積較大，需要將其壓縮或轉(zhuǎn)化為其他化學(xué)物質(zhì)（如液氨）后才能方便運輸。這就可能需要建造新的管道，將其從偏遠地區(qū)輸送到港口或城市。

如果人們不是依賴開采自然界偶然蘊積形成的天然氫藏，而是在更方便運輸或靠近消耗氫氣的地區(qū)，通過刺激地層可靠地生產(chǎn)天然氫，那將有助于規(guī)避地質(zhì)氫的這些缺陷。

這是許多研究人員和公司目前正在努力的方向。美國能源部準備為這項工作投入2000萬美元，他們的想法是探索加速蛇紋石化過程的方法，從而從地下產(chǎn)生氫氣，這樣可極大程度地擴展氫藏資源的可利用區(qū)域。哈杰爾山脈有富含鐵的橄欖巖，而且有明確證據(jù)表明氫氣正在從地下冒出，因此是對這一想法進行實驗的理想地點。

刺激氫井

大膽探路“地下氫工廠”

計劃于今年開鉆的世界第一口刺激氫井，將通過注水、加熱巖石的方法，嘗試將巖層的氫氣產(chǎn)生效率提高一萬倍，達到商業(yè)可行。但這一過程包含大量消耗水資源、引發(fā)小地震、改變噬氫微生物群落等風(fēng)險

2023年11月，美國能源部和阿曼政府共同舉辦研討會，計劃于今年在哈杰爾山脈開鉆世界上第一口刺激氫井。阿拉利在協(xié)調(diào)這項工作中發(fā)揮了核心作用，目前他已確定了4個可能的鉆井地點。他這次驅(qū)車所到達的山谷，就有幾個冒著氫氣的水池被一層類似冰的東西覆蓋著，這實際上是橄欖巖中浸出的鈣和空氣中的二氧化碳反應(yīng)形成的粉狀礦物膜。

阿拉利透露，美國能源部資助的這一試驗項目將至少打出一個深度在400至600米之間的鉆孔。通過這個鉆孔，研究小組將測算地層產(chǎn)氫的速度，然后嘗試不同的方法來刺激其產(chǎn)氫反應(yīng)，包括注水和加熱巖石。

美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校的亞歷克西斯·坦普爾頓是該項目的首席研究員。她表示，該項目的目標是將氫氣生產(chǎn)率提高一萬倍，即達到商業(yè)上可行的程度。有外部研究表明，這一目標是可行的，但不能保證一定成功。美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的托蒂·拉森表示：“這需要一些巧妙的化學(xué)反應(yīng)才能成功。”因此，添加化學(xué)催化劑是刺激地層產(chǎn)氫的另一種選擇，但此次研究人員尚未計劃對其進行測試。

為了達到這一目標，研究小組將嘗試一種新策略來打碎地下深處的巖石，以增加注入水的表面積。這一項目由美國伊甸地質(zhì)能源公司開發(fā)，其地下工程主管保羅·科爾介紹，在埋入地下的電極之間輸送高壓電流，可加熱巖石中的微小孔隙，使其膨脹，形成“蜘蛛網(wǎng)狀、閃電形的地下巖石裂隙”。

不過，該項目也遇到了一些阻礙，因為巖石中的孔隙可能會被堵塞，從而導(dǎo)致氫氣無法溢出。此外，輸送進巖石層所需的能量可能會高到難以想象。

另外，坦普爾頓說，阿曼的巖石中生活著以氫為食的細菌群。沒有人知道當(dāng)氫氣產(chǎn)量增加時，這些菌群會有什么反應(yīng)，“它們的數(shù)量可能會激增，形成微生物群落，在氫氣作為燃料被收集之前，就吞噬掉其中的大部分”。對于在較熱、較深的油井中進行的鉆探項目來說，這可能不是問題，但在阿曼，“巖石是有生命的”。

此外，該方法還存在一些環(huán)境風(fēng)險。例如，目前還不清楚該項目需要多少水資源。盡管阿拉利說計劃使用非飲用水、廢水或地下水進行測試，但在阿曼這樣的干旱地區(qū)，使用大量水資源會引發(fā)當(dāng)?shù)厣鐣P(guān)注。來自美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的外部研究人員張孟利還提醒，必須警惕注水引發(fā)小規(guī)模地震的風(fēng)險。

如果一切順利，阿曼這個以產(chǎn)出石油和天然氣聞名的國家，將可能在地質(zhì)氫領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，從而使其成為綠色能源大國，這種影響將超越其國界。“這將極大推動世界淘汰化石燃料供能的進程。”美國能源部該計劃負責(zé)人道格·威克斯說，現(xiàn)在有很多非常聰明的人在從事這項工作，關(guān)于如何從地下獲取氫氣，他期待聽到一些大膽的，甚至可能是石破天驚的想法。

>>>延伸閱讀

認識天然氫

大氣中的氫含量極低，約為百萬分之0.5。而在海底或大陸噴氣孔、溫泉口、“仙女圈”（天然氫逸出造成植被難以生長的圓形洼地，可以在航空或衛(wèi)星照片中觀察到）或地質(zhì)構(gòu)造裂縫處，已發(fā)現(xiàn)天然氫含量較高，而且在從幾米到1千米不等的地下水、石油和天然氣鉆孔中也發(fā)現(xiàn)有天然氫，由此可認為地下賦存大量天然氫。

從理論上講，天然氫是一種天然的可再生能源，所含能量是石油的3倍，可以通過化學(xué)反應(yīng)在地下不斷自然產(chǎn)生。這意味著它能夠源源不斷地被開采。

天然氫開采和生產(chǎn)一旦實現(xiàn)商業(yè)化，不僅可代替基于化石燃料生產(chǎn)的灰氫，甚至?xí)尰诳稍偕茉措娊馑a(chǎn)的綠氫黯然失色。業(yè)界普遍認為，這種最干凈且相對具有成本效益的可再生氫，有望重塑能源格局并掀起新一輪綠色革命。

天然氫分布廣泛，在裂谷、弧后盆地、克拉通盆地、含鐵礦化帶和礦床內(nèi)、洋中脊和造山帶都能檢測到天然氫。如今，世界各地都發(fā)現(xiàn)了天然氫藏，包括美國、俄羅斯、澳大利亞、阿曼、馬里等。

去年年底在法國東北部洛林礦盆地發(fā)現(xiàn)了目前全球最大的天然氫礦床，含氫量在600萬噸到2.5億噸之間，其氫氣濃度在探測深度達到1250米時增加到20%。據(jù)計算，探測深度達到3000米時，氫氣濃度可能增加到98%。

目前，馬里是世界上唯一一個正在開采天然氫的國家，開采井位于首都巴馬科西北約60公里處，1987年在鉆井取水時偶然發(fā)現(xiàn)。據(jù)悉，這口井已噴涌了12年氫氣，為附近村莊提供無碳電力。

土耳其Chimaera山上的甲烷和氫氣滲漏已經(jīng)燃燒了幾個世紀。（圖片來源：Science）

世界各國氫能戰(zhàn)略

中國

2022年發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中 長期規(guī)劃（2021—2035年）》，明確到2025年可再生能源制氫量達到每年10萬噸至20萬噸，到2035年形成氫能多元應(yīng)用生態(tài)，可再生能源制氫在終端能源消費中的比例明顯提升。

美國

2023年發(fā)布《美國國家清潔氫能戰(zhàn)略和路線圖》，目標是到2030年將氫能年產(chǎn)量提升至10萬噸，到2040年、2050年分別增至200萬噸和500萬噸。去年10月宣布建立7個區(qū)域清潔氫中心，以加速低成本清潔氫市場的發(fā)展。

歐盟

2020年推出《氣候中性的歐洲 氫能戰(zhàn)略》，推動可再生能源制氫和氫能的多元化應(yīng)用；2023年發(fā)布“歐洲氫能銀行計劃”，預(yù)計投資30億歐元在歐盟建立“未來氫能市場”，以期到2030年可再生氫能年產(chǎn)能達到1000萬噸。

日本

2017年底發(fā)布《氫能源基本戰(zhàn)略》，2022年宣布《綠色增長計劃》，提出到2030年實現(xiàn)氫能產(chǎn)量300萬噸的目標。

韓國

2021年發(fā)布首個《氫經(jīng)濟發(fā)展基本規(guī)劃》，提出到2050年韓國氫能將占最終能源消耗的33%、發(fā)電量的23.8%，成為超過石油的最大能源。

氫能“彩虹”

氫氣雖是無色氣體，但業(yè)內(nèi)人士根據(jù)其環(huán)保特性，將其分為多種“顏色”。

黑氫

這種氫氣由煤燃燒釋放，其工藝過程會產(chǎn)生大量二氧化碳，目前已不再常見。

灰氫

這種方法以天然氣為原料，通過燃燒產(chǎn)生氫氣和二氧化碳，產(chǎn)生大量溫室氣體排放。由于價格便宜，它是目前最常見的制氫方法。

藍氫

與灰氫制法工藝相同，但二氧化碳會被捕集并封存在地下，這意味著藍氫對全球變暖的影響較小。

綠松石氫

這是一種相對較新的制氫法。這種方法將天然氣分解成氫氣和固態(tài)碳，制氫過程不會產(chǎn)生二氧化碳排放，其成本可能比綠氫還低，但工藝技術(shù)還有待開發(fā)。

綠氫

最環(huán)保的制氫方法：利用可再生能源發(fā)電，將水電解為氧氣和氫氣。

金氫

也稱白氫、天然氫或地質(zhì)氫，是指天然存在于地下深處、可通過鉆探獲取、生產(chǎn)過程無需耗能的氫氣。如果能成功勘探且足量收集，金氫將成為一種極富開采價值的清潔能