深度 | 解密白氢

本文首发于《能源》杂志2023年第12期封面文章栏目。

作为一种天然的可再生能源，白氢引起了越来越多的关注。若这种存在于自然界的气体足够多地被发现，世界能源体系可能因此而发生彻底颠覆。

本刊记者/范珊珊

当两位科学家在法国东北部的阿尔萨斯-洛林地区寻找化石燃料时，他们并没有想到竟然会有意外收获。

今年5月，法国国家科学研究中心的两位研究主任雅克·皮罗农(JacquesPironon)和菲利普·德·多纳托(PhillipeDeDonato)使用世界首个专用探测器评估洛林矿盆地底土中的甲烷含量。在几百米深处，探测器发现了低浓度的氢气。皮罗农表示，这并不是一个真正的惊喜，在钻孔表面附近发现少量物质是很常见的。但随着探测的深入，氢气浓度逐渐升高。在1100米处，该比例为14%；在1250米处，比例为20%。

“这令人惊讶。它表明地下存在一个巨大的氢气库。”两位科学家进行了计算，洛林盆地可能含有4600万吨天然氢气，相当于目前世界氢气产量的一半。

皮罗农说，这可能是迄今为止发现的最大的“白氢”矿床之一。这一发现进一步激发了人们对氢气本已狂热的兴趣。

白氢——也被称为“天然”、“黄金”或“地质”氢——是自然产生或存在于地壳中的。氢是地球上最丰富的化学元素，天然存在于从水到植物的一切物质中。然而长期以来，天然氢存在与否一直是一个热门话题。

虽然氢是宇宙中最丰富的元素，但它通常与其他分子结合存在。目前，商业氢是通过能源密集型过程生产的，大部分由化石燃料提供动力。科学家们一直怀疑自然界是否真的有足够的白氢，来证明对其勘探和开采进行投资的必要性，但法国的这一最新发现，为开发自然氢提供了新的证据。

一年来，人们对这种还处于科学边缘的“自然氢”的关注迅速上升，其背后的原因是什么？实现商业化开采的可能性有多大？

未来石油

氢被誉为“未来的燃料”。它在燃烧时只释放热量和水，使其成为有吸引力的化石燃料替代品，特别是对于航空、航运和炼钢等行业来说，需要大量的能源，并且几乎不可能通过太阳能和风能等可再生能源实现满足。但目前大部分氢气生产依赖于天然气或煤炭，其过程会排放大量二氧化碳。使用可再生能源制造的“绿氢”提供了一种有前途但昂贵的替代方案。

白氢，与其他类型的氢相比主要有以下三个优点：首先，它是一种不排放二氧化碳的氢气。二氧化碳排放是灰氢的主要问题，因为它是通过重整过程从天然气或其他轻烃(如甲烷或液化石油气)中产生的。其次，它也不需要大量的可再生能源来通过水电解来生产，这是绿氢的生产方式。这是一种昂贵、效率也较低的方法。第三个优点是它来自于自然的地质和化学现象。

“如果你四年前问我对天然氢的看法，我会告诉你‘哦，它不存在’，”美国地质调查局地质科学家杰弗里·埃利斯（GeoffreyEllis）说。“氢就在那里，我们知道它就在附近，”他说，但科学家通常认为不可能大量积累。据他的估计，地球表面下可能潜藏着数百亿吨白氢。“氢气被忽视并不奇怪，因为它是一种无色无味的气体，此外还会被地下的微生物所掩盖，这些微生物会消耗天然氢气。”

可以说，当前业界对白氢兴趣的催化剂可以追溯到西非国家马里。1987年，在位于马里首都巴马科西北约60公里处的Bourakébougou村，钻井取水时偶然发现氢气。一名工人在靠近井边抽烟时，意外爆炸，导致他被烧伤，该井很快被封存并废弃。直到2011年，寻找化石燃料的钻探人员证实了一意外发现：西非干旱土地下数百英尺处蕴藏着丰富的天然氢。据报道，其生产的气体中氢气含量达98%，它被用来为村庄供电，十多年后的今天，仍在生产。

2018年，一项有关这口井的研究发表后，引起了包括埃利斯在内的科学家们的注意。而最近法国的发现令埃利斯感到兴奋，他见证了美国页岩气行业的快速发展，其彻底改变了能源市场。他说，“我认为我们可能正在经历第二次革命。氢气一直在那里，我们只是没有寻找它，没有在正确的地方寻找。”

位于澳大利亚苏比亚科的HyTerra公司首席运营官卢克·维尔特罗普（LukeVelterop）表示：“想象一下，一个由大自然提供燃料的地下工厂的潜力，它可以产生一个不断补充的清洁、可调度的能源供应。”他认为，白氢解决了可再生能源的间歇性问题，并提供了取代化石燃料所需的安全性和稳定性。

在科学家们看来，现在的问题不再是资源，而是在哪里可以找到大量的有开采价值的储量。而对于刚刚起步于探索的领域，研究其产生的原因是找到他的关键。

储量真相

从理论上讲，天然氢是一种天然的可再生能源，与需要数百万年形成的化石燃料储存不同，天然氢是不断形成的，能够以低成本无休止地开采。也就是说，天然氢是地球上一种通过自然、不断产生的取之不尽的可再生清洁能源。

埃利斯说：“从历史上看，天然氢一直被忽视。”氢是反应性最强的元素之一，这也是它很容易与碳结合成化石燃料的原因之一。因此，人们通常认为纯氢在自然界中极为罕见，它的作用被忽视，以至于气相色谱法（化学家用来计算气体混合物成分的过程）通常使用氢气作为载体材料，因此无法在地下井的样品中检测到氢气。

据目前的研究，自然过程可能导致地壳中产生氢的几种方式，但天然沉积物的形成规模仍存在一些不确定性。关于氢气的生成机制，尚未形成定论，但普遍认为主要有以下几种：蛇纹岩水岩反应、辐射水分解、断层摩擦、岩浆脱气、地幔脱气等。地质学家倾向于关注以下两种形成机理：一是“蛇纹岩水岩反应”即水与富含铁的岩石发生反应产生氢气；二是“辐射水分解”，即地壳深层大量铀、钍等放射性元素,这些元素放射性衰变时释放射线,其能量将水分子分解产生氢气。

过去100多年以来，全球在陆地、海洋中发现了近百处天然氢渗漏和逸出案例，且广泛分布于欧洲、美洲、亚洲、非洲、大洋洲等各个地区。

从全球来看，地质氢气的数量可能是“天文数字”，这个推测是基于产生氢气所需的地质条件极为普遍而得出的。在前寒武纪大陆岩石圈的岩石中经常观察到水岩和辐射分解反应，该岩石圈占全球大陆地壳表面积的70%以上，这表明氢演化的潜力存在于全球范围内，而不是区域性的。国内外对天然氢的勘探调查尚处于起步阶段，近年来，美国、加拿大、芬兰、菲律宾、澳大利亚、巴西、阿曼、土耳其和马里都发现了白氢，这让潜在的淘金者相信还有无数的资源等待被发现。而在这些发现中，有些是偶然发生的，另一些是通过寻找线索而发现的，比如一些被称为“仙女圈”的景观特征。在这些浅的、椭圆形的凹陷处，可能会有氢气逸出。

基尔大学地球科学家菲利普·鲍尔表示，白氢的真正潜力将取决于这些早期项目的发现。“我们正处于新认识的风口浪尖，但这是否能转化为真正的新能源是一个非常大的问题，许多地质学家不了解这一领域并且认为，如果氢气存在，各大石油公司不是早就发现了它吗？事实上，大多数氢的发现都是偶然的。

埃利斯称，尽管全球有大量潜在的地质氢气，但其中大部分可能难以获得。几乎可以肯定的是，其中大部分都将是非常小的堆积，或者离岸很远，或者太深，不具备经济效益。在全球范围内，地下可能至少有1000万兆吨氢气，远远超过目前世界上每年工业用氢100兆吨。氢气在航空燃料等领域的新应用，将在未来20年将全球需求提高到至少500兆吨。但如果能找到并提取1%，就可以在200年内提供5亿吨氢气，那么对于白氢的追求和生产可能会彻底改变清洁能源行业。

NaturalHydrogen公司首席执行官兼创始人维亚切斯拉夫·兹贡尼克（ViacheslavZgonnik）在他的论文《天然氢的出现和地球科学：全面综述》中指出，现有数据表明，未来每年可以从地下提取2300万吨氢。这可能大大低估了真正的潜力。“这是目前对地面自然氢产量的估计，但在我看来，实际数字应该高出两到三个数量级，因为我们仍然对氢系统了解不多，而且对氢系统的测量也非常稀缺。”

开采试验

当前，氢能大范围普及所面临的最大问题仍然是高昂的成本。地下深处自然形成的氢极有可能是尚未开发的无碳能源的主要组成部分。这一点与石油和天然气不同，氢的供应实际上是无限的。找出地质上存在大量氢气的地方，并找到安全提取氢气的方法，这些都是尚未解决的挑战。寻找潜在的氢气储存地点需要类似于石油和天然气行业使用的技术，并且要在地下数千英尺处使用相同的钻井设备。

诸如壳牌（Shell）、英国石油（BP）和雪佛龙（Chevron）等大型能源公司也加入了由美国地质调查局和科罗拉多矿业学院创建的一个研究天然氢的联盟，但一些雄心勃勃的初创公司已经踏上自行寻找氢气之路。

对于许多初创公司来说，这是一个诱人的前景，一批钻井初创公司试图依靠类似石油、天然气行业的技术寻找这个世纪最诱人的氢气宝藏。

就像19世纪早期的石油工业一样，自然氢的开发正在催生一波钻井初创公司，竞相探索以发现庞大的储藏。

Koloma公司宣布从投资者那里筹集9100万美元，包括比尔·盖茨创立的BreakthroughEnergyVentures在内的投资支持，该公司只是在全球范围内寻找可持续和可开采的白色氢矿藏的众多初创公司之一。

在美国，NH2E、HyTerra两家天然氢企业已确定北美中部裂谷系为天然氢富含地，NH2E公司是第一个在内布拉斯加州钻探天然氢的公司，并希望成为美国第一口开始开采和生产的井。

在欧洲，成立于2018年的HeliosAragon公司，在西班牙北部拥有天然气勘探许可证，占地约22万英亩，正在开发欧洲第一个天然氢项目，并将于2024年下半年开始钻探Monzon-2评价井，成本约为1200万欧元。该井预计蕴藏110万吨氢气，不过该公司声称Monzon油田的几个类似结构在许可范围内的氢气储量大约为500-1000万吨，而阿拉贡地区的氢气储量则超过1亿吨。

勘探公司Hydroma在Bourakebougou小镇外发现了98%纯度的氢气后，该公司转向氢气勘探，并于2019年更名为Hydroma。2017年至2019年，该公司在Bourakebougou周边10公里范围内钻探了24口井，发现存在多个天然氢聚集地。

LaFrancaised’Energie在法国和GoldHydrogen在澳大利亚进行了类似的开发试验，表明氢能的利润预计将是多么丰厚。GoldHydrogen创始人卢克·泰特斯(LukeTitus)在南澳大利亚实现了历史性的氢发现。10月，澳大利亚GoldHydrogen公司首次进行天然氢开采试钻的地点选择，最终首次试钻氢气浓度高达73%。泰特斯审查了南澳大利亚地质调查局的旧文件，其中包括对当地农民使用占卜棒寻找石油的数据分析。据记录，1921年在袋鼠岛钻探的一个钻孔产生了高达80%的氢气，另一个位于附近的约克半岛的比例接近70%。一个世纪后的今天，GoldHydrogen开始勘探该地区。

对这些科学家和企业来说，接下来面临的挑战是将假设转化为商业现实。兹贡尼克表示：“目前探索天然氢的初创公司比大公司还要多，因为拥有采矿和钻探技能和经验的人们决定在寻找白氢的过程中碰碰运气。但是，世界已经非常接近第一个商业项目。

商业化前景

而对于白氢开发这样的新产业来说，实现商业化开发还需克服诸多困难。科学家们认为，氢在地球深处形成的方式、氢到底如何迁移到地表以及如何最好地提取氢仍然存在不确定性，这些答案对于了解白氢的生产成本至关重要。

可以说，对于天然氢的认识，才刚刚起步。科学家们对于它是如何产生的存在分歧，大多数理论集中在地壳深处的细菌活动或化学过程。逸出通常与地面上不寻常的圆形凹陷有关，称为“仙女圈”，但目前尚不清楚这些形成的确切原因。在这些问题得到解决并绘制出地下矿藏图之前，初创企业要想与能源行业的巨头抗衡将面临挑战。

通常，氢气与甲烷和氦气等其他气体一起存在于地下。从这个意义上说，它很像石油和天然气。但与石油和天然气不同的是，在勘探氢方面没有类似的经验。

我们还在努力调整我们拥有的石油和天然气勘探技术，引入矿物和地热勘探技术，并寻找如何优化针对天然氢积累的勘探计划，”埃利斯说：“可能有几十年的时间会出现大量的尝试、错误。”但速度至关重要。“如果我们要花200年的时间来开发这项新的资源，那说明意义不大。”

但许多初创公司对此都持乐观态度。一些人预测商业化需要几年而不是几十年。“我们拥有所需的所有必要技术，只是做了一些细微的修改，”兹贡尼克说。

挑战依然存在。在一些国家，法规是一个障碍，并且对于这些公司而言，也需要建立新的融资结构。作为一种新兴技术，氢勘探的融资结构与其他生产氢和衍生项目的方式不同，后者的项目根据已知产量和未来销售情况提供资金。低碳氢及衍生品项目是资本密集型的，在最终投资决定之前，大多数项目都需要某种形式的供应购买协议，以锁定买家部分或全部项目的数量，从而使项目可行。该模式与其他能源和大宗商品项目融资类似。

鉴于自然氢勘探前景及其经济可行性的不确定性，融资和财务模式有所不同。与处于初始阶段的新兴技术有更多相似之处，例如世界上巨大的页岩气和致密气储量几十年来一直未被发现。但随着新的钻探、测井和水力压裂等回收方法的技术进步，开采成为可能。

而对于白氢的开发而言，就像任何不断增长的业务和不断发展的技术一样，融资结构将随着时间的推移而发展，随着勘探活动的规模增大，可能会出现更多传统的能源资本提供商。

其中，也包括成本的测算。尤其对高浓度天然氢矿藏，其开采成本可远低于其他制氢途径。根据马里井的计算，白氢的生产成本约为每公斤1美元，而绿氢的生产成本约为每公斤6美元。

但如果大量矿床需要更深的钻探，可能白氢就会变得更加昂贵。HyTerra公司正在美国进行天然氢勘探，他们相信可以以每公斤1美元的价格生产——按照这个价格，其才可能与天然气竞争。

要使这一目标成为现实，就需要开放的心态，以及尝试新方法的意愿。在法国的洛林地区，科学家们计划下一步是钻探至3000米深处，以更清楚地了解白氢的确切含量。

虽然还有很长的路要走，但一旦实现大规模开采，这个曾经是西欧主要产煤的地区成为新的白氢产业的中心。

一些科学家表示，缺乏有关氢气泄漏及其可能造成的潜在危害的数据是新兴行业面临的一个问题。由于缺乏监测氢气泄漏的技术，对天然氢需要小心处理，以降低安全风险并避免泄漏。

标准普尔全球预计，随着需求增长，氢供应结构将转向新兴低碳氢途径，化石燃料制氢产量从2037年开始下降。理论上，天然氢可以帮助满足未来的需求。

毫无疑问，全球对天然氢的认识目前整体上处于早期阶段,在机理研究、勘测、开发、应用等各方面均存在大量有待解决的问题。历史经验表明，对矿产资源可用性的预测几乎总是被低估。然而，就像聚变能源一样，关键是你是否押注这一可能会发生的革命。

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