全球天然氫勘探開發利用進展分析

氫是一種清潔、高效、零碳的能源載體，作為連接氣、電、熱等不同能源形式的橋梁，將在未來能源體系中發揮重要作用，尤其是用于難以通過電力脫碳的行業。2022年全球氫氣產量達到9500萬噸/年，低碳氫僅占0.7%[1]，無法滿足能源系統向清潔轉型的需求。盡管全球低碳制氫項目正呈現井噴式增長，即使所有已宣布項目均能成功建設，到2030年全球低碳氫產能也僅達到4500萬噸/年[2]，仍存在大量缺口。近年來，天然氫作為一種新的清潔氫氣來源逐漸受到關注。天然氫又被稱為“地質氫”、“金氫”或“白氫”，是地下地質作用產生的可再生氫氣，其生產成本低，儲量巨大。自天然氫在非洲馬里被成功開發以來，美、加、澳等國紛紛加強對天然氫的勘探和開發利用。2023年，天然氫首次被國際能源署(IEA)寫入氫能年度旗艦報告《全球氫能回顧》，并入選Science雜志年度十大突破[3]。本文系統梳理總結了全球天然氫勘探開發進展，供決策參考。

一、天然氫的成因及資源潛力

天然氫一直長期被忽視。由于自然界中的游離氫極為少見，傳統觀念認為，氫氣難以在地下存在，或是儲量過少而不具備勘探價值，氣體采樣和檢測往往缺乏對氫氣的檢測。現代油氣開采通常在富含有機物的沉積巖中作業，這些巖層中的氫含量稀缺，因此也很少檢測到氫氣。原蘇聯研究人員認為天然氫是油氣的主要成因機制，在多地開展檢測，發現了大量高含量天然氫的存在。目前，世界各地已記錄了數百起天然氫泄漏現象。研究顯示，美國東海岸卡羅萊納灣的圓形凹陷可能是地質氫從深處遷移到地表的流動路徑表現[4]，澳大利亞西部北珀斯盆地的“仙女圈”地貌可能是天然氫泄漏抑制了地面植被生長導致[5]。2012年，加拿大Hydroma公司對西非地區馬里Bourakébougou村的一口因失火而封閉的干井進行了檢測，發現其中氫氣含量高達98%。該公司基于該井建設了全球首個天然氫發電商業電站，引起了人們的廣泛關注。尤其是2018年針對馬里天然氫井開發的研究在International Journal of Hydrogen Energy雜志發表[6]以來，天然氫相關研究論文數量大幅增加，對于天然氫的成因、分布環境、資源潛力等均進行了研究。

對于天然氫的形成機制尚未有定論，當前研究提出的機制有多種(如圖1[7])，其中有3種被認為是主要成因：①水的輻解，巖石中的微量放射性元素輻射使水分解產生氫氣，該過程極為緩慢，在一些古老的巖石中最有可能發生;②蛇紋石化，在高溫高壓下，水與富鐵巖石反應產生氫氣，這種快速且可再生的反應稱為蛇紋石化，可能是地質氫最主要的成因;③地球深部脫氣，指地核或地幔存儲的氫氣沿著板塊邊界和斷層上升流出，由于勘探技術的限制，目前還無法直接觀測到地球深部中氫的存在，因此該說法還存在爭議。

圖1 天然氫的生成機制

全球已發現的天然氫在分布上相對廣泛，其中體積分數大于10%的高含量氫主要發育于蛇綠巖帶、裂谷和前寒武系富鐵地層這3種地質環境中[8]。蛇綠巖帶位于匯聚板塊邊緣，主要由火山巖和沉積巖組成，其相關天然氫都具有較高含量顯示。阿曼是發現蛇綠巖帶天然氫最多的國家，多數樣品氫體積分數超過60%，最高達到99%;土耳其、菲律賓、美國等國也有發現。裂谷天然氫主要發現于洋中脊區域，大西洋中脊彩虹熱液田(Rainbow hydrothermal field)中的氫氣體積分數可超過40%，目前對該環境的天然氫檢測較少，僅在美國愛荷華州西北地區有所發現。許多已發現的天然氫都與前寒武系富鐵地層有關，在基底、巖石包裹體、沉積巖中均檢測到高含量天然氫，是全球天然氫的重要產層。

在資源潛力方面，自20世紀80年代起，相繼有學者對自然界中的天然氫生成量進行估算，估算值呈數量級增加。結合地球形成以來的巨大氫消耗和產生量，地下存在大型氫氣儲層與氫源的可能性很高。美國地質調查局(USGS)基于石油行業的簡單模型，開發了一個全球地質氫資源預測評估模型，該模型考慮了非滲透巖石圈閉、微生物破壞影響，以及基于石油行業經驗的假設(即只有10%的天然氫儲量能夠被經濟地開采)，顯示天然氫資源潛力在萬億噸量級[9]。其中大部分資源可能過于分散，無法被經濟地開采，但只要有2%或3%的天然氫能夠被開采，就可滿足數百年的需求(以5億噸/年計)[10]。目前，USGS正致力于繪制全球首個天然氫資源分布圖。

二、全球天然氫勘探開發現狀

實現碳中和目標要求氫能的利用要基于清潔制氫，但當前可再生能源生產的“綠氫”成本約為5美元/千克，是主流“灰氫”(即化石燃料來源如甲烷蒸汽重整制氫)成本的2倍多。美國能源部(DOE)推出“氫能攻關計劃”，提出了全球最具雄心的綠氫降本目標—到2030年降至1美元/千克。天然氫的生產成本可比上述成本更低，得益于深度較淺和具有較高氫氣純度，馬里的天然氫生產成本可能低至0.5美元/千克。2021年的全球首屆天然氫大會H-Nat上，與會專家表示天然氫的成本在0.5~1美元/千克[11]。

天然氫的成功開發促使許多國家開展布局。美國石油地質學家協會在2021年成立了首個天然氫委員會。美國地質調查局(USGS)與美國科羅拉多礦業學院在2023年9月啟動了一個聯合工業項目，合作單位包括英國石油公司(BP)、雪佛龍等大型石油公司，旨在研究地質氫的資源潛力并開發勘探技術，確定地質氫的儲藏地[12]。美國能源部先進能源研究計劃署(ARPA-E)也在9月宣布投入2000萬美元啟動“地質氫”計劃[13]，將通過變革性技術開發和示范，以最低經濟成本和環境影響從地質層中產氫，重點資助2個主題：①通過受激發的礦物學過程生產地質氫，加深對產氫地球化學反應及提高或控制產氫速率的認知;②氫儲層管理地下工程，重點關注與地質氫提取相關的技術，包括地下輸運方法、地下工程改進、生產和提取過程中的儲層監測和/或建模，以及評估氫儲層開發風險。

南澳大利亞于2021年2月將氫氣納入《2000年石油和地熱能法案》的“受管制物質”范圍，使天然氫勘探許可得以授權，至今已頒發了40多個勘探天然氫礦床的許可證[14]。該法案現已修訂為《2023年能源資源法案》，將綠氫生產納入其中。澳大利亞地球科學局已經完成了對澳大利亞地下鹽礦的審查，以確定地下儲氫的潛在地點，該項工作還將為天然氫提供勘探信息。

天然氫的勘探開發尚處于早期階段，以小型公司為主導。根據IEA的統計，從事天然氫勘探的公司已經從2020年的僅有3家，發展到2023年中的40家。2023年4月，西班牙勘探公司Helios Aragón在西班牙北部比利牛斯山脈山麓發現了一個儲量超過100萬噸的天然氫儲層，并于6月啟動了歐洲首個天然氫項目Monzón，計劃在2024年開始鉆探第一口井，2028年實現商業化生產[15]。該公司估計，天然氫的生產成本可以達到0.75歐元/公斤。法國能源公司(FDE)與洛林大學、法國國家科學研究中心(CNRS)合作開展Regalor研究項目，2023年5月在法國東部的一口鉆探井中發現大量天然氫[16]，地下1093米深石炭紀巖層中的流體含有15%的氫，并估計地下3000米處氫氣濃度為98%，預計將是迄今發先的最大天然氫儲庫之一。美國Natural Hydrogen Energy公司于2019年在美國內布拉斯加州鉆探了全球第一口氫氣勘探井Hoarty NE3，并與澳大利亞HyTerra公司在2023年完成擴展測試，成功鉆取了氫氣流。美國天然氫初創公司Koloma于7月獲得了比爾·蓋茨Breakthrough Energy Ventures等投資者的9100萬美元風險投資，該公司創始人擁有16項氫氣提取相關專利，包括使用人工智能輔助激光成像和衛星來評估天然氫的存儲地[17]。澳大利亞Gold Hydrogen公司在2023年11月宣布在位于南澳大利亞約克半島的拉姆齊1號(Ramsay 1)探井的240米深處發現含量高達73.3%的天然氫，并在1005米處發現了對于氫從深處來源遷移至淺層區域至關重要的裂隙系統[18]。該公司迅速宣布了天然氫試點項目計劃，隨后又在附近第二口勘探井中檢測到天然氫[19]，顯示在201米處含量很高，表明很可能存在天然氫的富集地。

表1 部分天然氫開發項目

來源：IEA. 全球氫能回顧2023.

三、未來展望

天然氫仍是一個新興領域，但有潛力成為重要的氫能來源，其具有降低生產成本，在支持能源系統轉型方面具有巨大前景。天然氫的勘探開發可以基于油氣開發的知識和經驗，未來在成因機制、資源勘探和潛力評估、開采利用等方面加大研究力度。首先，天然氫成因較為復雜，現階段對于地殼中氫的運動和聚集認知有限，仍需進一步補充實驗和數據，加大對形成機制及成藏過程研究，為未來長期可持續開發奠定理論基礎。其次，天然氫的資源評估仍不準確，需要加強資源勘察和評估，結合地球物理、衛星遙感等技術，進一步明確資源分布，并對已發現的儲層進行深入評估，以推進礦區劃分和開采。其三，在現有油氣開采技術基礎上，開展天然氫開采及增產相關研究和測試，進行地質、環境風險評估，以確保安全、高效地開采利用。例如，遵循天然氫的產生機制，通過向反應性地層注入水以刺激發生蛇紋石化生成氫氣是具有潛力的方向。這類開采的氫氣被稱為“橙氫”，其能量消耗高于天然氫，但由于產量高，生產成本仍低于“藍氫”(即化石燃料結合碳捕集制氫)。進一步地，將不同反應與蛇紋石化相結合可以取得協同增益，如在蛇紋石化過程中將溶解的CO2摻入水中形成固體碳酸鹽，可以在產生氫氣的同時捕集CO2。此外，還應在巖石再生、地下微生物產氫等方面開展長期研究，以進一步提高天然氫資源的可持續性。