《科学》2023十大突破：万亿级“白氢”热潮风靡全球

图片来源：NewScientist

摘要：

地下天然氢的未来充满希望，全球已掀起了天然氢的探寻热潮。在未来的能源格局中, 需要寻找更多经济、可行的“ 低碳” 甚至“ 零碳” 氢气的生产途径, 而地下无处不在的天然氢或将成为未来能源革命的主要支柱。

撰文 | Penn

编辑 | Tang

→这是《环球零碳》的第903篇原创

“寻找天然氢源的热潮”于12月14日被《科学》（Science）杂志列为2023年度十大科学突破之一，成为今年最重大的科学发现、科学进展及未来趋势之一。

据高盛称，到2030年，该市场将增长一倍多，达到2,500亿美元，到2050年价值1万亿美元。地下天然氢的未来充满希望，有可能彻底改变全球能源格局。

美国地质调查局一项未发表的研究表明，地球上可能储存有1万亿吨天然氢气，足以满足未来数千年燃料和肥料不断增长的需求。

被称为 “白氢”或者“金氢”的天然氢是如何产生的？为何被评为十大科学突破之一？又引发了怎样的探寻热潮？未来将如何改变能源格局？

图说：“寻找天然氢源的热潮”位列2023《Science》年度十大科学突破
来源：Science

01--天然氢源自何方？

氢能被称为“21世纪的终极能源”，对推动能源转型、促进全球经济可持续发展意义重大，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。

但目前人类生产的绝大部分氢气主要来自化石能源制氢，其过程会排放大量二氧化碳，也被称为“灰氢”。在这个制取过程中，如果加上二氧化碳的捕获，则被称为“蓝氢”。而利用可再生能源电解水生产的“绿氢”，因为价格昂贵，目前还非常少，产量仅占氢气总产量的不到1%。

寻找更多经济、可行的“低碳”甚至“零碳”氢气，成为科学家们追寻的目标。因此，蕴藏在地下的天然氢逐渐进入人们的视野。

在石油工业中, 人们曾一直认为天然氢是不存在的。因为富含有机物的页岩或泥岩等产油气的沉积岩在压实和加热时，这些岩石中的碳分子会消耗所有可用的氢并形成更长链的碳氢化合物。同时，氢还可以与岩石中的氧气反应形成水或与二氧化碳结合形成“非生物”甲烷。地质学家还认为，即使氢幸存下来，也不应该积累起来。

但自21世纪初以来，“从地质的视角来看, 天然氢被忽略了”的情况发生了变化。2002年, 英国地质调查局的Smith N J P便在《第一次突破》杂志上呼吁“ 是需要勘探地质学家认真对待氢的时候了”。在实践中，随着21世纪初俄罗斯发现了第一个天然氢矿床, 以及加拿大Hydroma公司第一次在非洲马里利用天然氢进行发电开始, 人们对天然氢认识也得到了逐步加强。

图说：地球上的氢气工厂
来源：Science

有研究者认为天然氢可能来源于非生物成因, 也可能来源于生物成因, 前者包括深源、水岩反应和水的辐解, 后者包括热作用和微生物作用; 还有些研究者认为, 氢气源于混合成因, 即多种不同成因的结合。此外，另一些人认为它是从地球核心泄漏出来的，或者是因地壳中放射性元素将水分子打破而产生的。

据美国地质调查局统计，地质学家已经知道有几十种自然过程可以产生氢气，但究竟哪些机制能产生大量氢气仍不清楚。普遍认为，例如地下水与橄榄石（一种呈绿色的镁铁硅酸盐）等富含铁的矿物相互作用时，会使水被还原为氧气和氢气，氧气与矿物中的铁结合，氢气就会逃逸到周围的岩石中。

图说：镁橄榄石等橄榄石矿物与地下水相互作用时可以产生氢气
来源：USGS

一旦氢气形成，各种自然过程就会消耗这种气体。这些过程中未消耗的任何氢气都可能到达多孔岩石，在那里形成气体聚集。但为了使聚集持续存在，必须存在有效的密封岩来将气体固定在适当的位置。

几十年来，地球科学家一直认为密封岩石无法有效地抑制氢的积累，因为氢的密度较小，即使是最致密的岩石也能使其逸出。然而，研究表明，两个氢原子分子的直径大约等于单个氦原子分子的直径，并且这两种气体很可能被相似的岩层捕获。已知氦气的积累已经保存了长达一亿年，因此可以合理地假设氢可以被捕获类似的时间跨度。

图说：Mpumalanga 发现的天然氢矿藏
来源：University of Pretoria

目前，美国地质调查局的科学家正在将所有这些因素纳入他们的天然氢系统模型中，这将增进我们对地球上天然氢资源潜力的了解。

02--寻氢热潮风靡全球

美国地质调查局的地质学家杰弗里·埃利斯坚信，地球内部的氢含量可能构成主要能源。他说：“关键是要了解氢是否大量存在且可以经济地获取，如果存在，如何找到这些资源。”

格勒诺布尔阿尔卑斯大学地球化学名誉教授尼克·阿恩特也表示：“现在真正的挑战是在世界上找到储量足够高、浓度足够高的地方。因此，科学家们目前正在世界上那些我们知道存在氢储量的地方寻找氢。”

图说：世界各地天然氢逸出地表的圆形、椭圆形洼地(“ 仙女圈” )
来源：能源转型背景下不可忽视的新能源: 天然氢

除了科学界掀起了探寻天然氢的热潮，世界上多个国家也跃跃欲试，开始了寻找天然氢的活动。

这场探寻天然氢的新热潮可以追溯到西非内陆国家马里的一个不起眼小镇布拉克布古（Bourakébougou）。2012年，工程师们在这里拔掉了在1987年由一根香烟引发爆炸后用水泥封闭的一个钻孔，发现它喷出的气体98%是氢气。人们由此连了一台发电机，为该村庄提供了第一批电力。令人惊奇的是，经过十年的抽取后，钻孔中的气体压力并没有下降，这表明地底深层正源源不断地补充氢气。

目前，全球多地都发现了天然氢矿床，包括美国、东欧、俄罗斯、澳大利亚、阿曼以及法国和马里。它们有些是偶然发现的，另一些是通过寻找线索而发现的，比如氢气从深部向地表运移, 在流体流动通道形成了被称为“仙女圈”的地表圆形洼地。

今年以来，全球各地关于天然氢的好消息更是纷至沓来。

今年3月，韩国国家石油公司（KNOC）表示自去年以来，该公司一直在该国寻找天然氢气，测量不同土壤中出现的气体，并为其新型氢气检测探测器申请了专利。初步研究似乎已经确定了五个未公开地点的土壤中存在氢，该公司目前正在进行研究以确认并精确分析地表下的物质。

4月初，勘探公司Helios Aragón 表示在西班牙北部比利牛斯山脉山麓发现一个储量超过100万吨的氢气储层，计划于2024年钻探更多勘探井并希望在 2028 年开始商业化生产。该公司首席执行官an Munro告诉当地报纸，他的公司可以以 0.75 欧元/公斤的价格生产天然氢。此外，Helios在其网站上估计，到 2060 年，其生产天然氢气的成本将低至 0.50 美元/千克（成本范围上限为 1.25 美元/千克），而灰色氢气的成本为 0.75-1.6 美元/千克，电解氢气的成本为 0.75-3.25 美元/千克。

图说：法国“仙女环”卫星视图
来源：45-8 Energy

5月，在法国东北部，当地电力和天然气生产商法国能源公司 (FDE) 在先前钻探的一口井中发现了“大量”自然产生的氢气。科学家们发现，在 1,093 米深处的石炭纪岩层中发现的流体含有 15% 的氢，并估计地下 3,000 米处氢浓度为 98%。

法国国家科学研究中心的科学家雅克·皮罗农 (Jacques Pironon) 说，这令人惊讶。它表明下面存在一个巨大的氢气库。他们进行了计算，估计该沉积物可能含有 600 万至 2.5 亿吨氢。皮罗农补充说，这可能使其成为迄今为止发现的最大的“白氢”矿床之一。

FDE现已提交法国东北部大东部地区2,254平方公里的独家采矿勘探许可证申请，并计划在三个现有井中进行新的氢浓度测量，以进一步丰富对洛林地质背景下白氢形成、转移和生产机制的研究。值得注意的是，在12月13日“法国2030”国家投资计划两周年纪念活动中，法国总统马克龙表示：“在‘法国 2030’中，我们将提供大量资金来探索白氢的潜力。法国是天然氢储量最多的国家之一，并可以成为未来这种能源生产的先导国家之一。”他同时指出，政府最近批准了一个“研究项目”，探索比利牛斯-大西洋地区的天然氢。

图说：位于澳大利亚的天然氢勘探井
来源：Gold Hydrogen

11月初，澳大利亚公司 Gold Hydrogen 宣布在其位于南澳大利亚约克半岛的拉姆齐1号（Ramsay 1）探井钻的240 米深处发现气体中含有高达 73.3% 的“高浓度”天然氢，并在1005米处发现了对于氢从深处来源迁移至浅层区域至关重要的裂缝系统。一周后，Gold Hydrogen便公布了快速推进世界上第一个天然氢试点项目的计划。两周之后，Gold Hydrogen又在附近的第二口勘探井检测到天然氢，初步分析显示，在 201 米以下的样品中天然氢含量很高，表明“可能”存在地下氢的富集。

Gold Hydrogen认为，这些结果支持了在其获得许可的约克半岛的一块土地上存在大量的天然氢气的假设。该公司表示，虽然还处于早期阶段，但这一结果很可能导致澳大利亚首次发现天然氢。根据 2021 年 9 月计算，整个区块的预期天然氢资源量估计范围为 207,000 吨至 880 万吨，“最佳估计”为 130 万吨。

图说：海外天然氢开发项目进展
来源：能景研究

03--初创公司助推淘氢热潮

面对诱人的前景，除了上文提到的Gold Hydrogen，还有更多的初创公司也不甘落后，准备搭乘天然氢这趟通向未来的高速列车。

总部位于丹佛的 Koloma 成立于两年前，其联合创始人兼首席技术官汤姆·达拉 (Tom Darrah) 是俄亥俄州立大学 (OSU) 地球科学教授，拥有 16 项与氢提取相关的专利，其中一项专利涉及使用卫星和人工智能辅助激光成像来分析可能含有地下天然氢或氦的地点。

Kolomo 认为，地下铁基/镁基矿物在水中分解产生富含氢液体的过程在全球范围内每年可产生约 2300 万吨天然氢，相当于近占当今氢气需求总量的四分之一。目前，Kolomo已从投资者那里筹集了9100万美元，其中包括比尔·盖茨创立的投资公司 Breakthrough Energy Ventures，尽管该公司仍然对美国具体钻探地点和钻探时间守口如瓶。

图说：Natural Hydrogen Energy的天然氢勘探井
来源：WSJ

澳大利亚氢勘探公司Hyterra 正在内布拉斯加州钻探氢气，而总部位于丹佛的 Natural Hydrogen Energy 正在堪萨斯州寻找天然氢 。两者都在寻求在大陆中部裂谷系统中寻找氢，这是一个贯穿北美的 2,000 公里构造断层。其中Natural Hydrogen Energy 由地球化学家 Viacheslav Zgonnik 创立，已于 2019 年在内布拉斯加州完成了一个氢勘探井，并计划建造新井。Zgonnik告诉美国有线电视新闻网，世界“非常接近第一个商业项目”。

目前，天然氢的探寻者们面临的挑战是将假设的承诺转化为商业现实。美国地质调查局也指出，虽然地质氢带来了希望，但要真正开掘地质氢能源，仍然需要开展进一步研究。

但许多初创公司都持乐观态度。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。” Zgonnik说。

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参考资料：

[1]https://www.science.org/content/article/hidden-hydrogen-earth-may-hold-vast-stores-renewable-carbon-free-fuel?cookieSet=1

[2]https://www.science.org/content/article/breakthrough-of-the-year-2023#section_runnersup02

[3]https://www.wsj.com/articles/underground-hydrogen-could-supercharge-green-energy-first-scientists-have-to-find-it-19036ec6?st=jr0rp14ww39weje&reflink=desktopwebshare_permalink

[4]https://edition.cnn.com/2023/10/29/climate/white-hydrogen-fossil-fuels-climate/index.html

[5]https://sciencebusiness.net/climate-news/news/hydrogen-could-be-taken-straight-ground

[6]http://m.stdaily.com/index/kejixinwen/202310/e12f1de6aba3430d8db45f86306f60a0.shtml

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[8]https://www.euractiv.com/section/energy-environment/news/excitement-grows-about-natural-hydrogen-as-huge-reserves-found-in-france/

[9]https://www.theguardian.com/environment/2023/aug/12/prospectors-hit-the-gas-in-the-hunt-for-white-hydrogen

[10]田黔宁, 张炜, 王海华, 邵明娟, 姚树青. 能源转型背景下不可忽视的新能源: 天然氢[J].中国地质调查, 2022,9(1): 1-15

[11]https://www.hydrogeninsight.com/innovation/gold-hydrogen-detects-elevated-levels-of-natural-h2-from-australias-first-exploration-well/2-1-1538082

[12]https://www.hydrogeninsight.com/production/significant-concentrations-of-natural-hydrogen-detected-at-australias-first-exploration-well-raising-hopes-of-world-first-commercial-exploitation/2-1-1546424

[13]https://www.hydrogeninsight.com/innovation/gold-hydrogen-unveils-plan-to-fast-track-world-s-first-natural-h2-pilot-plant-after-detecting-significant-concentrations/2-1-1549387

[14]https://www.hydrogeninsight.com/production/natural-hydrogen-detected-at-australias-second-exploration-well-pointing-to-likely-underground-accumulation/2-1-1559803

[15]https://www.hydrogeninsight.com/production/it-s-on-every-continent-bill-gates-backed-start-up-drilling-for-natural-hydrogen-in-the-us/2-1-1489380

[16]https://www.hydrogeninsight.com/innovation/massive-underground-reservoir-of-natural-hydrogen-in-spain-could-deliver-the-cheapest-h2-in-the-world/2-1-1431515

[17]https://www.hydrogeninsight.com/production/natural-hydrogen-found-state-owned-oil-company-analysing-five-sites-across-south-korea/2-1-1429573

[18]https://www.hydrogeninsight.com/production/significant-concentrations-of-natural-hydrogen-discovered-in-northeast-france-by-local-power-and-gas-producer/2-1-1452270

[19]https://www.hydrogeninsight.com/production/energy-of-the-future-french-president-promises-massive-funding-for-natural-hydrogen/2-1-1570543

[20]https://www.newscientist.com/article/2393540-how-geologic-hydrogen-went-from-fringe-science-to-potential-green-fuel/

[21]https://mp.weixin.qq.com/s/lSg8ljP13qy_QVV55LKw3g

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