地下氫礦，新賽道上的奔跑

2023年12月初，法國政府批準(zhǔn)了該國第一個天然氫勘探計劃。法國總統(tǒng)馬克龍隨后表示，“將提供大量資金探索天然氫的潛力”。

這種存在于地下的氫氣，因其地下儲量豐富和無碳清潔等優(yōu)勢，也被稱為“白氫”或“金氫”。隨著全球去碳提速，這種可再生清潔能源迅速在科學(xué)界和能源領(lǐng)域走紅。業(yè)內(nèi)人士表示，盡管仍處于起步階段，天然氫將與“綠氫”等清潔能源一道，共同推動全球綠色革命。

曾被忽視的地下富礦

總部位于美國丹佛的Natural Hydrogen Energy公司首席執(zhí)行官、地球化學(xué)家維亞切斯拉夫·茲貢尼克發(fā)表論文稱，關(guān)于天然氫的第一次科學(xué)討論可以追溯到1888年，當(dāng)時元素周期表之父德米特里·門捷列夫記錄稱，氫氣從烏克蘭煤礦的裂縫中溢出。100多年中，世界各地已記錄數(shù)百起氫氣泄漏事件。

《科學(xué)》雜志報道稱，雖然人類探測石油和天然氣的歷史悠久，至今已勘測了數(shù)百萬口井，但天然氫“長時間被忽視”的原因是，氫是最小的分子，極易與碳、氧分子發(fā)生反應(yīng)形成其他化合物。因此，地質(zhì)學(xué)家早前認(rèn)為，即使氫氣幸存下來，也不太可能大量累積。

美國地質(zhì)勘探局有機(jī)地球化學(xué)家杰弗里·埃利斯說，測井人員一般不會特意去測量氫氣，“這并非真正地在尋找氫，我們沒有使用正確的工具在正確的地方尋找。”

真正的突破發(fā)生在1987年，工人在西非國家馬里的布拉凱布古村打井取水時，遇到一場花費(fèi)數(shù)周時間才撲滅的大火。“白天火的顏色如藍(lán)色的波光粼粼的水，沒有黑煙污染。夜晚的火光像金色閃閃發(fā)亮，在田野里我們都能看到彼此。”村民馬馬杜·恩古洛·科納雷在接受《科學(xué)》雜志采訪時這樣介紹。

多年后，人們才揭開這場大火的秘密。

2007年，馬里富商、天然氣公司Petroma董事長阿利烏·迪亞洛獲得了布拉凱布古周邊地區(qū)的勘探權(quán)。2012年，勘測團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)當(dāng)時井眼中流出的物質(zhì)是98%純度的氫氣。幾個月后，這里安裝了一臺發(fā)動機(jī)燃燒氫氣為村莊發(fā)電。目前，馬里也是世界上唯一一個開采白氫的國家。

自2018年相關(guān)團(tuán)隊在《國際氫能雜志》上刊發(fā)其在馬里氫田的發(fā)現(xiàn)以來，能源界仿佛被投下了一枚巨石，余波不斷。

關(guān)于天然氫的形成、地質(zhì)分布和實(shí)用化可能性等相關(guān)問題，大部分都仍有待研究。目前可以確定的是，天然氫不僅是清潔能源，而且可再生——當(dāng)?shù)叵滤诟邷馗邏涵h(huán)境下與鐵礦物發(fā)生反應(yīng)時，就會產(chǎn)生天然氫。馬里天然氫監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，這口鉆井十幾年來氫產(chǎn)量一直保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)減少的情況。

新賽道上的奔跑

法國是天然氫氣儲量最多的國家之一。為實(shí)現(xiàn)2050年政府碳中和目標(biāo)，法國近年來對氫能源替代化石燃料的可能性，特別是對其在制造和運(yùn)輸領(lǐng)域的關(guān)注度日益提高。2023年5月，法國洛林地區(qū)又意外發(fā)現(xiàn)大量天然氫礦藏。該礦床可能含有600萬至2.5億噸氫，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大的此類礦藏之一。

法國能源轉(zhuǎn)型部表示，目前共收到6個勘探天然氫礦床的申請，另5個申請在審查階段。此次獲批的是TBH2Aquitaine公司在法國西南部比利牛斯-大西洋省的勘探申請，勘探地區(qū)面積約225平方公里。預(yù)計獲得下一輪許可后，該企業(yè)將于2到3年后正式開始鉆探。

在西班牙，初創(chuàng)公司Helios Aragon首席執(zhí)行官伊恩·蒙羅也在探尋自己的氣體“金礦”。西班牙比利牛斯山脈的核心部位由富含鐵的海洋巖石構(gòu)成，大約6500萬年前，由于板塊運(yùn)動，這些巖石被擠壓并抬升。蒙羅說，深斷層將這些巖石中產(chǎn)生的氫引導(dǎo)到多孔砂巖層中，該砂巖層上覆蓋著致密的頁巖。

Helios Aragon公司計劃在2024年底鉆一口探井。蒙羅說，“我們相信我們將成為歐洲第一口天然氫井。”不過，由于該企業(yè)的租約是根據(jù)西班牙石油法簽訂的，2021年西班牙氣候法出臺后，新業(yè)務(wù)被暫停。在西班牙對氫氣鉆探禁令解除前，該企業(yè)將無法進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)。

2023年12月12日在比利時安特衛(wèi)普-布魯日港拍攝的氫動力拖船

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局2022年10月在美國地質(zhì)學(xué)會會議上提出的模型，可能有足夠的天然氫來滿足人類數(shù)千年對能源不斷增長的需求。面對天然氫巨大的前景誘惑，來自澳大利亞、美國、歐洲等國家和地區(qū)的數(shù)十家初創(chuàng)公司正在爭奪氫能源勘探權(quán)。

在水力壓裂技術(shù)應(yīng)用廣泛、頁巖氣資源豐富的美國，監(jiān)管環(huán)境較為寬松。不過，《科學(xué)》雜志援引美國地質(zhì)調(diào)查局研究員埃利斯的話表示，“出于我不知道的原因，天然氫還沒有在北美流行起來。”

2022年，美國石油地質(zhì)學(xué)家協(xié)會成立了第一個天然氫委員會，美國地質(zhì)調(diào)查局開始努力，以確定美國有前景的氫生產(chǎn)區(qū)。維亞切斯拉夫·茲貢尼克表示：“我們還處于起步階段，但進(jìn)展會很快。”

2019年，維亞切斯拉夫·茲貢尼克領(lǐng)導(dǎo)的初創(chuàng)公司Natural Hydrogen Energy在內(nèi)布拉斯加州的玉米田和大豆田中鉆探了美國第一口氫井，目前計劃開發(fā)新井。該公司透露，第一個白氫商業(yè)項目的投運(yùn)預(yù)計很快就會實(shí)現(xiàn)。

得益于得天獨(dú)厚的地質(zhì)條件和新出臺的能源法規(guī)，氫能在南澳大利亞迅猛發(fā)展。2021年2月，南澳大利亞州擴(kuò)大石油法規(guī)適用范圍以允許鉆探氫氣，澳大利亞初創(chuàng)公司Gold Hydrogen聯(lián)合創(chuàng)始人盧克·泰特斯隨即提交申請，希望在約克半島和坎加魯島近8000平方公里的土地上進(jìn)行勘探。另外他還創(chuàng)建了兩家造紙公司，對數(shù)千平方公里的土地提出申請。2023年10月，該企業(yè)在南澳約克半島的拉姆齊項目試鉆了第一口白氫井。

碳中和與氫能

當(dāng)前，人們對天然氫的研究仍處于早期階段，天然氫的形成過程、遷移、如何實(shí)用化等難題有待科學(xué)家們和企業(yè)持續(xù)研究、實(shí)驗和解密。

值得注意的是，盡管氫是無碳的，但氫能作為能源也有其缺陷，主要是儲存和運(yùn)輸?shù)葐栴}。例如，雖然1公斤氫氣所含能量與4升汽油接近，但常溫常壓下，1公斤氫氣的占用空間比混凝土攪拌車滾筒還要大。液化氫氣通常需要冷卻至零下253攝氏度，這將產(chǎn)生一筆巨額費(fèi)用。同樣，大多數(shù)專家認(rèn)為電熱泵比氫爐更有開發(fā)價值。

不過，美國麻省理工學(xué)院能源系統(tǒng)研究員達(dá)里克·馬拉普拉加達(dá)表示，全球預(yù)計能源需求的一半將難以通過改用電力來實(shí)現(xiàn)脫碳，這為氫氣提供了用武之地。

在氫氣家族中，相較于“綠氫”利用可再生太陽能或風(fēng)能、用電解槽將水分子分解成氧氣和氫氣，天然氫氣具備顯著的成本優(yōu)勢。高盛集團(tuán)發(fā)表報告預(yù)測，到2030年，全球氫能市場規(guī)模將增長1倍多，達(dá)到2500億美元，到2050年可達(dá)1萬億美元。

國內(nèi)天然氫的開采利用項目尚未披露，但國內(nèi)對天然氫的研究已有積累。國內(nèi)已有多個地區(qū)通過油氣和礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)活動發(fā)現(xiàn)了天然氫。例如，在松遼盆地的某些鉆井中，發(fā)現(xiàn)了高達(dá)85.54%的氫氣含量；在柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)2號井中的巖屑罐頂氣中檢測到了高達(dá)99%的氫氣含量。此外，云南騰沖熱泉、山西沁水煤礦和煤井、渤海灣盆地和松遼盆地等地也發(fā)現(xiàn)了低濃度的天然氫。在這些地區(qū)，中石化、中煤和地質(zhì)勘探機(jī)構(gòu)等企業(yè)已收集了一定的天然氫分布數(shù)據(jù)。