作為一種天然的可再生能源，白氫引起了越來越多的關(guān)注。若這種存在于自然界的氣體足夠多地被發(fā)現(xiàn)，世界能源體系可能因此而發(fā)生徹底顛覆。

當(dāng)兩位科學(xué)家在法國東北部的阿爾薩斯-洛林地區(qū)尋找化石燃料時(shí)，他們并沒有想到竟然會(huì)有意外收獲。

今年5月，法國國家科學(xué)研究中心的兩位研究主任雅克·皮羅農(nóng)(JacquesPironon)和菲利普·德·多納托(PhillipeDeDonato)使用世界首個(gè)專用探測器評(píng)估洛林礦盆地底土中的甲烷含量。在幾百米深處，探測器發(fā)現(xiàn)了低濃度的氫氣。皮羅農(nóng)表示，這并不是一個(gè)真正的驚喜，在鉆孔表面附近發(fā)現(xiàn)少量物質(zhì)是很常見的。但隨著探測的深入，氫氣濃度逐漸升高。在1100米處，該比例為14%；在1250米處，比例為20%。

“這令人驚訝。它表明地下存在一個(gè)巨大的氫氣庫�！眱晌豢茖W(xué)家進(jìn)行了計(jì)算，洛林盆地可能含有4600萬噸天然氫氣，相當(dāng)于目前世界氫氣產(chǎn)量的一半。

皮羅農(nóng)說，這可能是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大的“白氫”礦床之一。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步激發(fā)了人們對(duì)氫氣本已狂熱的興趣。

白氫——也被稱為“天然”、“黃金”或“地質(zhì)”氫——是自然產(chǎn)生或存在于地殼中的。氫是地球上最豐富的化學(xué)元素，天然存在于從水到植物的一切物質(zhì)中。然而長期以來，天然氫存在與否一直是一個(gè)熱門話題。

雖然氫是宇宙中最豐富的元素，但它通常與其他分子結(jié)合存在。目前，商業(yè)氫是通過能源密集型過程生產(chǎn)的，大部分由化石燃料提供動(dòng)力�？茖W(xué)家們一直懷疑自然界是否真的有足夠的白氫，來證明對(duì)其勘探和開采進(jìn)行投資的必要性，但法國的這一最新發(fā)現(xiàn)，為開發(fā)自然氫提供了新的證據(jù)。

一年來，人們對(duì)這種還處于科學(xué)邊緣的“自然氫”的關(guān)注迅速上升，其背后的原因是什么？實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采的可能性有多大？

未來石油

氫被譽(yù)為“未來的燃料”。它在燃燒時(shí)只釋放熱量和水，使其成為有吸引力的化石燃料替代品，特別是對(duì)于航空、航運(yùn)和煉鋼等行業(yè)來說，需要大量的能源，并且?guī)缀醪豢赡芡ㄟ^太陽能和風(fēng)能等可再生能源實(shí)現(xiàn)滿足。但目前大部分氫氣生產(chǎn)依賴于天然氣或煤炭，其過程會(huì)排放大量二氧化碳。使用可再生能源制造的“綠氫”提供了一種有前途但昂貴的替代方案。

白氫，與其他類型的氫相比主要有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，它是一種不排放二氧化碳的氫氣。二氧化碳排放是灰氫的主要問題，因?yàn)樗�是通過重整過程從天然氣或其他輕烴(如甲烷或液化石油氣)中產(chǎn)生的。其次，它也不需要大量的可再生能源來通過水電解來生產(chǎn)，這是綠氫的生產(chǎn)方式。這是一種昂貴、效率也較低的方法。第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它來自于自然的地質(zhì)和化學(xué)現(xiàn)象。

“如果你四年前問我對(duì)天然氫的看法，我會(huì)告訴你‘哦，它不存在’，”美國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)科學(xué)家杰弗里·埃利斯（GeoffreyEllis）說�！皻渚驮谀抢�，我們知道它就在附近，”他說，但科學(xué)家通常認(rèn)為不可能大量積累。據(jù)他的估計(jì)，地球表面下可能潛藏著數(shù)百億噸白氫�！皻錃獗缓鲆暡⒉黄婀郑�因?yàn)樗�是一種無色無味的氣體，此外還會(huì)被地下的微生物所掩蓋，這些微生物會(huì)消耗天然氫氣�！�

可以說，當(dāng)前業(yè)界對(duì)白氫興趣的催化劑可以追溯到西非國家馬里。1987年，在位于馬里首都巴馬科西北約60公里處的Bourakébougou村，鉆井取水時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)氫氣。一名工人在靠近井邊抽煙時(shí)，意外爆炸，導(dǎo)致他被燒傷，該井很快被封存并廢棄。直到2011年，尋找化石燃料的鉆探人員證實(shí)了一意外發(fā)現(xiàn)：西非干旱土地下數(shù)百英尺處蘊(yùn)藏著豐富的天然氫。據(jù)報(bào)道，其生產(chǎn)的氣體中氫氣含量達(dá)98%，它被用來為村莊供電，十多年后的今天，仍在生產(chǎn)。

2018年，一項(xiàng)有關(guān)這口井的研究發(fā)表后，引起了包括埃利斯在內(nèi)的科學(xué)家們的注意。而最近法國的發(fā)現(xiàn)令埃利斯感到興奮，他見證了美國頁巖氣行業(yè)的快速發(fā)展，其徹底改變了能源市場。他說，“我認(rèn)為我們可能正在經(jīng)歷第二次革命。氫氣一直在那里，我們只是沒有尋找它，沒有在正確的地方尋找�！�

位于澳大利亞蘇比亞科的HyTerra公司首席運(yùn)營官盧克·維爾特羅普（LukeVelterop）表示：“想象一下，一個(gè)由大自然提供燃料的地下工廠的潛力，它可以產(chǎn)生一個(gè)不斷補(bǔ)充的清潔、可調(diào)度的能源供應(yīng)�！彼�認(rèn)為，白氫解決了可再生能源的間歇性問題，并提供了取代化石燃料所需的安全性和穩(wěn)定性。

在科學(xué)家們看來，現(xiàn)在的問題不再是資源，而是在哪里可以找到大量的有開采價(jià)值的儲(chǔ)量。而對(duì)于剛剛起步于探索的領(lǐng)域，研究其產(chǎn)生的原因是找到他的關(guān)鍵。

儲(chǔ)量真相

從理論上講，天然氫是一種天然的可再生能源，與需要數(shù)百萬年形成的化石燃料儲(chǔ)存不同，天然氫是不斷形成的，能夠以低成本無休止地開采。也就是說，天然氫是地球上一種通過自然、不斷產(chǎn)生的取之不盡的可再生清潔能源。

埃利斯說：“從歷史上看，天然氫一直被忽視�！睔涫欠磻�(yīng)性最強(qiáng)的元素之一，這也是它很容易與碳結(jié)合成化石燃料的原因之一。因此，人們通常認(rèn)為純氫在自然界中極為罕見，它的作用被忽視，以至于氣相色譜法（化學(xué)家用來計(jì)算氣體混合物成分的過程）通常使用氫氣作為載體材料，因此無法在地下井的樣品中檢測到氫氣。



據(jù)目前的研究，自然過程可能導(dǎo)致地殼中產(chǎn)生氫的幾種方式，但天然沉積物的形成規(guī)模仍存在一些不確定性。關(guān)于氫氣的生成機(jī)制，尚未形成定論，但普遍認(rèn)為主要有以下幾種：蛇紋巖水巖反應(yīng)、輻射水分解、斷層摩擦、巖漿脫氣、地幔脫氣等。地質(zhì)學(xué)家傾向于關(guān)注以下兩種形成機(jī)理：一是“蛇紋巖水巖反應(yīng)”即水與富含鐵的巖石發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；二是“輻射水分解”，即地殼深層大量鈾、釷等放射性元素,這些元素放射性衰變時(shí)釋放射線,其能量將水分子分解產(chǎn)生氫氣。

過去100多年以來，全球在陸地、海洋中發(fā)現(xiàn)了近百處天然氫滲漏和逸出案例，且廣泛分布于歐洲、美洲、亞洲、非洲、大洋洲等各個(gè)地區(qū)。

從全球來看，地質(zhì)氫氣的數(shù)量可能是“天文數(shù)字”，這個(gè)推測是基于產(chǎn)生氫氣所需的地質(zhì)條件極為普遍而得出的。在前寒武紀(jì)大陸巖石圈的巖石中經(jīng)常觀察到水巖和輻射分解反應(yīng)，該巖石圈占全球大陸地殼表面積的70%以上，這表明氫演化的潛力存在于全球范圍內(nèi)，而不是區(qū)域性的。國內(nèi)外對(duì)天然氫的勘探調(diào)查尚處于起步階段，近年來，美國、加拿大、芬蘭、菲律賓、澳大利亞、巴西、阿曼、土耳其和馬里都發(fā)現(xiàn)了白氫，這讓潛在的淘金者相信還有無數(shù)的資源等待被發(fā)現(xiàn)。而在這些發(fā)現(xiàn)中，有些是偶然發(fā)生的，另一些是通過尋找線索而發(fā)現(xiàn)的，比如一些被稱為“仙女圈”的景觀特征。在這些淺的、橢圓形的凹陷處，可能會(huì)有氫氣逸出。

基爾大學(xué)地球科學(xué)家菲利普·鮑爾表示，白氫的真正潛力將取決于這些早期項(xiàng)目的發(fā)現(xiàn)�！拔覀冋�處于新認(rèn)識(shí)的風(fēng)口浪尖，但這是否能轉(zhuǎn)化為真正的新能源是一個(gè)非常大的問題，許多地質(zhì)學(xué)家不了解這一領(lǐng)域并且認(rèn)為，如果氫氣存在，各大石油公司不是早就發(fā)現(xiàn)了它嗎？事實(shí)上，大多數(shù)氫的發(fā)現(xiàn)都是偶然的。

埃利斯稱，盡管全球有大量潛在的地質(zhì)氫氣，但其中大部分可能難以獲得。幾乎可以肯定的是，其中大部分都將是非常小的堆積，或者離岸很遠(yuǎn)，或者太深，不具備經(jīng)濟(jì)效益。在全球范圍內(nèi)，地下可能至少有1000萬兆噸氫氣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前世界上每年工業(yè)用氫100兆噸。氫氣在航空燃料等領(lǐng)域的新應(yīng)用，將在未來20年將全球需求提高到至少500兆噸。但如果能找到并提取1%，就可以在200年內(nèi)提供5億噸氫氣，那么對(duì)于白氫的追求和生產(chǎn)可能會(huì)徹底改變清潔能源行業(yè)。

NaturalHydrogen公司首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人維亞切斯拉夫·茲貢尼克（ViacheslavZgonnik）在他的論文《天然氫的出現(xiàn)和地球科學(xué)：全面綜述》中指出，現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，未來每年可以從地下提取2300萬噸氫。這可能大大低估了真正的潛力�！斑@是目前對(duì)地面自然氫產(chǎn)量的估計(jì)，但在我看來，實(shí)際數(shù)字應(yīng)該高出兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)槲覀內(nèi)匀粚?duì)氫系統(tǒng)了解不多，而且對(duì)氫系統(tǒng)的測量也非常稀缺�！�

開采試驗(yàn)

當(dāng)前，氫能大范圍普及所面臨的最大問題仍然是高昂的成本。地下深處自然形成的氫極有可能是尚未開發(fā)的無碳能源的主要組成部分。這一點(diǎn)與石油和天然氣不同，氫的供應(yīng)實(shí)際上是無限的。找出地質(zhì)上存在大量氫氣的地方，并找到安全提取氫氣的方法，這些都是尚未解決的挑戰(zhàn)。尋找潛在的氫氣儲(chǔ)存地點(diǎn)需要類似于石油和天然氣行業(yè)使用的技術(shù)，并且要在地下數(shù)千英尺處使用相同的鉆井設(shè)備。

諸如殼牌（Shell）、英國石油（BP）和雪佛龍（Chevron）等大型能源公司也加入了由美國地質(zhì)調(diào)查局和科羅拉多礦業(yè)學(xué)院創(chuàng)建的一個(gè)研究天然氫的聯(lián)盟，但一些雄心勃勃的初創(chuàng)公司已經(jīng)踏上自行尋找氫氣之路。

對(duì)于許多初創(chuàng)公司來說，這是一個(gè)誘人的前景，一批鉆井初創(chuàng)公司試圖依靠類似石油、天然氣行業(yè)的技術(shù)尋找這個(gè)世紀(jì)最誘人的氫氣寶藏。

就像19世紀(jì)早期的石油工業(yè)一樣，自然氫的開發(fā)正在催生一波鉆井初創(chuàng)公司，競相探索以發(fā)現(xiàn)龐大的儲(chǔ)藏。

Koloma公司宣布從投資者那里籌集9100萬美元，包括比爾·蓋茨創(chuàng)立的BreakthroughEnergyVentures在內(nèi)的投資支持，該公司只是在全球范圍內(nèi)尋找可持續(xù)和可開采的白色氫礦藏的眾多初創(chuàng)公司之一。

在美國，NH2E、HyTerra兩家天然氫企業(yè)已確定北美中部裂谷系為天然氫富含地，NH2E公司是第一個(gè)在內(nèi)布拉斯加州鉆探天然氫的公司，并希望成為美國第一口開始開采和生產(chǎn)的井。

在歐洲，成立于2018年的HeliosAragon公司，在西班牙北部擁有天然氣勘探許可證，占地約22萬英畝，正在開發(fā)歐洲第一個(gè)天然氫項(xiàng)目，并將于2024年下半年開始鉆探Monzon-2評(píng)價(jià)井，成本約為1200萬歐元。該井預(yù)計(jì)蘊(yùn)藏110萬噸氫氣，不過該公司聲稱Monzon油田的幾個(gè)類似結(jié)構(gòu)在許可范圍內(nèi)的氫氣儲(chǔ)量大約為500-1000萬噸，而阿拉貢地區(qū)的氫氣儲(chǔ)量則超過1億噸。

勘探公司Hydroma在Bourakebougou小鎮(zhèn)外發(fā)現(xiàn)了98%純度的氫氣后，該公司轉(zhuǎn)向氫氣勘探，并于2019年更名為Hydroma。2017年至2019年，該公司在Bourakebougou周邊10公里范圍內(nèi)鉆探了24口井，發(fā)現(xiàn)存在多個(gè)天然氫聚集地。

LaFrancaised’Energie在法國和GoldHydrogen在澳大利亞進(jìn)行了類似的開發(fā)試驗(yàn)，表明氫能的利潤預(yù)計(jì)將是多么豐厚。GoldHydrogen創(chuàng)始人盧克·泰特斯(LukeTitus)在南澳大利亞實(shí)現(xiàn)了歷史性的氫發(fā)現(xiàn)。10月，澳大利亞GoldHydrogen公司首次進(jìn)行天然氫開采試鉆的地點(diǎn)選擇，最終首次試鉆氫氣濃度高達(dá)73%。泰特斯審查了南澳大利亞地質(zhì)調(diào)查局的舊文件，其中包括對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民使用占卜棒尋找石油的數(shù)據(jù)分析。據(jù)記錄，1921年在袋鼠島鉆探的一個(gè)鉆孔產(chǎn)生了高達(dá)80%的氫氣，另一個(gè)位于附近的約克半島的比例接近70%。一個(gè)世紀(jì)后的今天，GoldHydrogen開始勘探該地區(qū)。

對(duì)這些科學(xué)家和企業(yè)來說，接下來面臨的挑戰(zhàn)是將假設(shè)轉(zhuǎn)化為商業(yè)現(xiàn)實(shí)。茲貢尼克表示：“目前探索天然氫的初創(chuàng)公司比大公司還要多，因?yàn)閾碛胁傻V和鉆探技能和經(jīng)驗(yàn)的人們決定在尋找白氫的過程中碰碰運(yùn)氣。但是，世界已經(jīng)非常接近第一個(gè)商業(yè)項(xiàng)目。

商業(yè)化前景

而對(duì)于白氫開發(fā)這樣的新產(chǎn)業(yè)來說，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)還需克服諸多困難�？茖W(xué)家們認(rèn)為，氫在地球深處形成的方式、氫到底如何遷移到地表以及如何最好地提取氫仍然存在不確定性，這些答案對(duì)于了解白氫的生產(chǎn)成本至關(guān)重要。

可以說，對(duì)于天然氫的認(rèn)識(shí)，才剛剛起步�？茖W(xué)家們對(duì)于它是如何產(chǎn)生的存在分歧，大多數(shù)理論集中在地殼深處的細(xì)菌活動(dòng)或化學(xué)過程。逸出通常與地面上不尋常的圓形凹陷有關(guān)，稱為“仙女圈”，但目前尚不清楚這些形成的確切原因。在這些問題得到解決并繪制出地下礦藏圖之前，初創(chuàng)企業(yè)要想與能源行業(yè)的巨頭抗衡將面臨挑戰(zhàn)。

通常，氫氣與甲烷和氦氣等其他氣體一起存在于地下。從這個(gè)意義上說，它很像石油和天然氣。但與石油和天然氣不同的是，在勘探氫方面沒有類似的經(jīng)驗(yàn)。

我們還在努力調(diào)整我們擁有的石油和天然氣勘探技術(shù)，引入礦物和地?zé)峥碧郊夹g(shù)，并尋找如何優(yōu)化針對(duì)天然氫積累的勘探計(jì)劃，”埃利斯說：“可能有幾十年的時(shí)間會(huì)出現(xiàn)大量的嘗試、錯(cuò)誤�！钡�速度至關(guān)重要。“如果我們要花200年的時(shí)間來開發(fā)這項(xiàng)新的資源，那說明意義不大�！�

但許多初創(chuàng)公司對(duì)此都持樂觀態(tài)度。一些人預(yù)測商業(yè)化需要幾年而不是幾十年�！拔覀儞碛兴�需的所有必要技術(shù)，只是做了一些細(xì)微的修改，”茲貢尼克說。

挑戰(zhàn)依然存在。在一些國家，法規(guī)是一個(gè)障礙，并且對(duì)于這些公司而言，也需要建立新的融資結(jié)構(gòu)。作為一種新興技術(shù)，氫勘探的融資結(jié)構(gòu)與其他生產(chǎn)氫和衍生項(xiàng)目的方式不同，后者的項(xiàng)目根據(jù)已知產(chǎn)量和未來銷售情況提供資金。低碳?xì)浼把苌�品�?xiàng)目是資本密集型的，在最終投資決定之前，大多數(shù)項(xiàng)目都需要某種形式的供應(yīng)購買協(xié)議，以鎖定買家部分或全部項(xiàng)目的數(shù)量，從而使項(xiàng)目可行。該模式與其他能源和大宗商品項(xiàng)目融資類似。

鑒于自然氫勘探前景及其經(jīng)濟(jì)可行性的不確定性，融資和財(cái)務(wù)模式有所不同。與處于初始階段的新興技術(shù)有更多相似之處，例如世界上巨大的頁巖氣和致密氣儲(chǔ)量幾十年來一直未被發(fā)現(xiàn)。但隨著新的鉆探、測井和水力壓裂等回收方法的技術(shù)進(jìn)步，開采成為可能。

而對(duì)于白氫的開發(fā)而言，就像任何不斷增長的業(yè)務(wù)和不斷發(fā)展的技術(shù)一樣，融資結(jié)構(gòu)將隨著時(shí)間的推移而發(fā)展，隨著勘探活動(dòng)的規(guī)模增大，可能會(huì)出現(xiàn)更多傳統(tǒng)的能源資本提供商。

其中，也包括成本的測算。尤其對(duì)高濃度天然氫礦藏，其開采成本可遠(yuǎn)低于其他制氫途徑。根據(jù)馬里井的計(jì)算，白氫的生產(chǎn)成本約為每公斤1美元，而綠氫的生產(chǎn)成本約為每公斤6美元。

但如果大量礦床需要更深的鉆探，可能白氫就會(huì)變得更加昂貴。HyTerra公司正在美國進(jìn)行天然氫勘探，他們相信可以以每公斤1美元的價(jià)格生產(chǎn)——按照這個(gè)價(jià)格，其才可能與天然氣競爭。

要使這一目標(biāo)成為現(xiàn)實(shí)，就需要開放的心態(tài)，以及嘗試新方法的意愿。在法國的洛林地區(qū)，科學(xué)家們計(jì)劃下一步是鉆探至3000米深處，以更清楚地了解白氫的確切含量。

雖然還有很長的路要走，但一旦實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開采，這個(gè)曾經(jīng)是西歐主要產(chǎn)煤的地區(qū)成為新的白氫產(chǎn)業(yè)的中心。

一些科學(xué)家表示，缺乏有關(guān)氫氣泄漏及其可能造成的潛在危害的數(shù)據(jù)是新興行業(yè)面臨的一個(gè)問題。由于缺乏監(jiān)測氫氣泄漏的技術(shù)，對(duì)天然氫需要小心處理，以降低安全風(fēng)險(xiǎn)并避免泄漏。

標(biāo)準(zhǔn)普爾全球預(yù)計(jì)，隨著需求增長，氫供應(yīng)結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)向新興低碳?xì)渫緩�，化石燃料制氫產(chǎn)量從2037年開始下降。理論上，天然氫可以幫助滿足未來的需求。

毫無疑問，全球?qū)μ烊粴涞恼J(rèn)識(shí)目前整體上處于早期階段,在機(jī)理研究、勘測、開發(fā)、應(yīng)用等各方面均存在大量有待解決的問題。歷史經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)礦產(chǎn)資源可用性的預(yù)測幾乎總是被低估。然而，就像聚變能源一樣，關(guān)鍵是你是否押注這一可能會(huì)發(fā)生的革命。

作者：范珊珊 來源：能源雜志 責(zé)任編輯：jianping