隨著全球?qū)μ烊粴涞难芯颗c不斷的勘探開發(fā)，天然氫作為一種自然生成的無碳低成本氫源，將可能為全球能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對氣候變化提供新的戰(zhàn)略契機(jī)。近日，澳大利亞Gold Hydrogen公司在獲澳大利亞政府批準(zhǔn)開展天然氫勘探后，在澳大利亞首口Ramsay 1探井地下240米深處，檢測到濃度高達(dá)73.3%的天然氫。

今年5月，法國在東北部的洛林地區(qū)發(fā)現(xiàn)了天然氫，在1200米深度時(shí)天然氫濃度達(dá)20%，專家預(yù)計(jì)該地區(qū)天然氫總儲量高達(dá)600萬噸至2.5億噸；9月，美國能源部宣布，將撥款2千萬美元用于深巖中天然氫技術(shù)的開發(fā)。目前馬里、澳大利亞、巴西、美國及歐洲部分國家已陸續(xù)開展了天然氫勘探開發(fā)工作。

天然氫成因及發(fā)現(xiàn)情況

天然氫是一種天然形成、廣泛存在于地球深處的氣態(tài)物質(zhì)。公開資料顯示，早在1888年，俄羅斯科學(xué)家德米特里·門捷列夫在對烏克蘭煤礦滲漏氣體進(jìn)行分析時(shí)就發(fā)現(xiàn)了天然氫；隨后，2012年在西非馬里發(fā)現(xiàn)98%濃度的天然氫，加拿大Petroma公司在馬里利用約50美分/公斤的天然氫進(jìn)行發(fā)電，其成本遠(yuǎn)低于化石能源、電解水所制的氫氣。由于來源廣泛、成本低廉，許多學(xué)者及支持者又稱其為“金氫”。

基于探測發(fā)展和已有研究，天然氫形成機(jī)理主要有三種，一是地殼輻射裂解水產(chǎn)生。該理論認(rèn)為，地殼深層含有大量鈾、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。二是水巖反應(yīng)。包括蛇紋石化作用、水與巖石表面反應(yīng)和礦物中羥基反應(yīng)，其中蛇紋石化是研究最多、最常見的方式。三是“深源”成因。該理論認(rèn)為氫氣來自地球更深處的地幔或地核，氫氣沿著板塊邊界和斷層縫隙上升到地表形成。

天然氫賦存狀態(tài)也包括三種，一是游離氫，指賦存在巖石(或地層)孔隙或裂隙能自由運(yùn)移的氫氣, 是天然氫的主要賦存形式之一，濃度介于2%-90%間；二是包裹體氫，多種研究發(fā)現(xiàn)，在多種類型巖石中, 氫氣以包裹體形式或吸附形式被圈閉在巖石內(nèi)，其濃度介于0.2-100%間；三是溶解氫，天然氫以溶解態(tài)氣體存在于地下水中，濃度從微量至百分之幾十不等。

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)。

天然氫開發(fā)及應(yīng)用情況

1987年, 在非洲馬里巴馬科北部地區(qū)鉆探尋找水資源時(shí), 意外發(fā)現(xiàn)純度為98%的氫氣。2012年，加拿大Petroma公司圍繞此處開始開采氫氣，2017-2018年間，Petroma公司在其完成的25口勘探井均發(fā)現(xiàn)了天然氫，并建立一座試點(diǎn)發(fā)電廠，通過井口采集天然氫作為燃料為附近村落供電，證明天然氫在自然狀態(tài)下可產(chǎn)生足夠規(guī)模且100％綠色電力為房屋供電。

美國CFA石油公司于1982年在北美裂谷開發(fā)Scott井, 發(fā)現(xiàn)含量約50%的氫氣；2013年, 美國成立了天然氫能源公司(NH2E), 開始在許多國家尋找氫排放點(diǎn)，2015年,該公司在美國各個(gè)州均發(fā)現(xiàn)了大量氫氣流, 經(jīng)估算每天高達(dá)接近十噸，并于2019年底在堪薩斯州鉆探了第一口天然氫井。2023年，美國HyTerra公司在堪薩斯州和內(nèi)布拉斯加州的兩個(gè)天然氫氣項(xiàng)目已進(jìn)入前期開發(fā)階段。

2021年, 南澳大利亞能源和礦產(chǎn)部在南澳大利亞部署天然氫項(xiàng)目, 并發(fā)布了氫勘探活動許可申請書，澳大利亞金氫公司獲得許可范圍內(nèi)的天然氫勘探、評估和開發(fā)權(quán)。此外，澳大利亞地球科學(xué)局針對本國470口井中采集的約1,000個(gè)天然氫樣品進(jìn)行了氫氣分析及氫氣量估算, 得出陸上1公里深度內(nèi)氫氣推斷資源量達(dá)16萬立方/年。

2020年，西班牙Helios公司與美國能源過渡基金公司，共同在西班牙薩拉戈薩的一口油井位于地表以下3680米深處發(fā)現(xiàn)大量氫氣，并計(jì)劃建立氫能中心，持續(xù)開展天然氫研究開發(fā)。

我國已有學(xué)者在松遼盆地個(gè)別鉆井中發(fā)現(xiàn)氫氣含量高達(dá)85.54%；在柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)2號井的巖屑罐頂氣中, 檢測到了含量達(dá)99%的氫氣。但整體上，我國針對天然氫的研究大多是把氫氣作為監(jiān)測自然環(huán)境和油氣資源方面的研究, 將其作為能源的調(diào)查研究工作較少, 尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

有學(xué)者認(rèn)為, 在中國的沉積盆地、大陸裂谷地區(qū)具備發(fā)育高含量氫氣的地質(zhì)條件, 可以把渤海灣盆地、渭河斷陷作為天然氫勘探的突破區(qū)開展理論研究和調(diào)查工作。

天然氫發(fā)展展望

氫來源廣泛、燃燒不排放二氧化碳，已逐漸成為全球加快能源革命和推進(jìn)綠色低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑之一。但當(dāng)前，全球96%氫來自化石能源，制取過程產(chǎn)生大量碳排放；利用可再生能源電解水制氫在全球范圍內(nèi)尚處于前期和初步示范階段，所產(chǎn)綠氫短期內(nèi)無法滿足大規(guī)模需求且經(jīng)濟(jì)性存在挑戰(zhàn)。在未來能源發(fā)展中, 同步尋找更多量多、經(jīng)濟(jì)、可行的氫氣來源很有必要,處于地下豐富的天然氫可能是一種較好的選擇。

全球?qū)μ烊粴涞恼J(rèn)識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。大規(guī)?？睖y方面難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：氫氣無色、無味，且質(zhì)量輕，溶解度小，極易揮發(fā)遷移；自然系統(tǒng)中，天然氫的產(chǎn)生和消耗緊密耦合，可能導(dǎo)致其濃度較低；早期研究均指向大規(guī)模天然氫封存于地球深處，常規(guī)地質(zhì)勘探或化石能源開采尚未涉及，需要研究新型完井技術(shù)；氫在上述活動中氣體樣品的檢測和技術(shù)分析過程缺位，有可能低估當(dāng)前天然氫的逸出統(tǒng)計(jì)。

作為能源發(fā)展過程中的一個(gè)新領(lǐng)域，天然氫的可持續(xù)性和普遍性有待進(jìn)一步深入研究，其從發(fā)現(xiàn)到研究、開發(fā)和最終規(guī)模化商業(yè)化應(yīng)用也面臨一系列的挑戰(zhàn)和障礙。

但基于全球已普遍發(fā)現(xiàn)的天然氫資源，以及馬里天然氫發(fā)電展示的工業(yè)化開發(fā)潛力，隨著全球?qū)μ烊粴涞某掷m(xù)研究和項(xiàng)目示范，天然氫將可能顛覆當(dāng)前單純將氫視為“能源載體”的共識，加速其成為一個(gè)獨(dú)立的能源品類；同時(shí)，如果天然氫持續(xù)性得到驗(yàn)證，將大幅度降低氫能源頭成本，從而帶動全產(chǎn)業(yè)降本增效，加速氫能規(guī)?；瘧?yīng)用，有望成為氫能發(fā)展及推動碳減排的重要支柱。

來源：中國氫能聯(lián)盟