天然氫來(lái)了，它才是碳中和的終極能源？

如果沒(méi)有任何碳排放的氫氣可以像石油天然氣一樣從地殼中開(kāi)采出來(lái)，那么整個(gè)世界的碳中和進(jìn)程都將會(huì)因此而改變。

這可能不會(huì)是一種奢望。比爾蓋茨投資的初創(chuàng)公司Koloma，正在美國(guó)中西部開(kāi)采天然氫，并計(jì)劃根據(jù)《通貨膨脹減少法案》IRA的生產(chǎn)稅收抵免申請(qǐng)補(bǔ)貼。

什么是天然氫，它和天然氣有何區(qū)別？在能源轉(zhuǎn)型的當(dāng)下，天然氫又有著怎樣重要的意義？

何為天然氫？

1987年，馬里首都巴馬科西北55公里處的村莊Bourakébougou里，鉆井工人正在一口干井旁邊抽煙。突然一股澎湃的氣流從100多米深的洞里涌出。這股氣流遇到香煙的火星就被點(diǎn)燃，一下子爆裂開(kāi)來(lái)。

幸運(yùn)的是，這個(gè)倒霉的工人只是被燒傷，而沒(méi)有被炸死。人們花費(fèi)數(shù)周時(shí)間才把大火撲滅，順便把涌出了妖風(fēng)的井給封上。

直到2012年，人們才最終確定Bourakébougou村莊下面蘊(yùn)藏著的是純度為98%的氫氣（其余2%是甲烷）。

氫是一種清潔、高效的能源，由于其燃燒后完全沒(méi)有二氧化碳排放，所以被認(rèn)為是未來(lái)碳中和的終極能源解決方案。

但遺憾的是，氫并不是自然界中普遍存在的物質(zhì)，現(xiàn)在人類(lèi)需要通過(guò)化石能源或者電解水制備氫氣。這一過(guò)程會(huì)釋放出大量的碳排放，減少了氫的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。

天然氫，顧名思義是從自然界中直接開(kāi)采而非人為從其他化合物中制取而得，屬于一次能源。與氫氣相比，天然氫無(wú)需人工制取，成本低，能夠降低氫氣需求對(duì)于電力系統(tǒng)壓力。

這似乎顛覆了一直以來(lái)大家對(duì)于“氫氣不來(lái)自于自然界”的傳統(tǒng)認(rèn)知。

實(shí)際上人類(lèi)早已發(fā)現(xiàn)了天然氫的存在。20世紀(jì)70年代以來(lái)，全球已在海底和陸地上發(fā)現(xiàn)了近百處天然氫滲漏和逸出案例。水與巖石相互作用產(chǎn)生天然氫的機(jī)制已被科學(xué)界印證。

目前在學(xué)術(shù)界關(guān)于天然氫的產(chǎn)生有以下幾種理論：輻射分解、蛇紋石化、深藏氫。不管是哪種理論，都認(rèn)為天然氫存在于地殼深層，通過(guò)分解或者水巖作用等被釋放出來(lái)。

但是，天然氫在地表深處生成后因?yàn)闅錃獾男再|(zhì)并非穩(wěn)定存在，氫氣在斷層和縫隙中移動(dòng)很快，可以通過(guò)巖石擴(kuò)散也可以被巖石層的微生物消耗。這也是天然氫雖然早已被發(fā)現(xiàn)，但并沒(méi)有引起更廣泛重視的原因之一。

作為一種特殊的一次能源，天然氫與天然氣雖然在能源屬性上相同，但二者之間的差別并非僅僅一字之差。

由于天然氣的構(gòu)成元素中含碳，因此在釋放過(guò)程中，天然氣會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，對(duì)環(huán)境的友好程度略遜一籌。因此從環(huán)境角度來(lái)看，天然氫比天然氣更具優(yōu)勢(shì)。

近兩年來(lái)，天然氫開(kāi)始受到越來(lái)越多的關(guān)注。除了比爾蓋茨投資的Koloma外，更多的天然氫信息，正在進(jìn)入大眾的視野。

今年5月，法國(guó)在洛林礦盆地發(fā)現(xiàn)了高濃度的巨量天然氫，總儲(chǔ)量可能高達(dá)4600萬(wàn)噸，是歐洲迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大潛在天然氫，或改變歐洲能源的游戲規(guī)則，對(duì)歐洲乃至全球的能源轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展都有著重要的意義。

但理想總是比現(xiàn)實(shí)要美好。

困難重重

在馬里的Bourakébougou，加拿大Petroma公司一直在努力實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氫的鉆探。在目前所完成的25口勘探井中，都發(fā)現(xiàn)了天然氫。

為了進(jìn)一步推動(dòng)這項(xiàng)研究，Petroma公司建立了一個(gè)試點(diǎn)發(fā)電廠。該發(fā)電廠由井口采集的天然氫驅(qū)動(dòng)，并為附近村落供電。

這證明了天然氫在自然狀態(tài)下可以產(chǎn)生足夠規(guī)模且100％綠色的電力為房屋供電。根據(jù)初步測(cè)算，開(kāi)采1kg天然氫的成本比當(dāng)前人工制取氫氣的成本低2~10倍，這對(duì)未來(lái)的能源系統(tǒng)非常有吸引力。

根據(jù)測(cè)算，馬里Bourakébougou天然氫的成本有可能低至每公斤50美分。另一家西班牙天然氫勘探公司Helios Aragon的首席執(zhí)行官I(mǎi)an Munro表示，他的收支平衡成本最終可能在50到70美分之間。“如果它確實(shí)有效，它可能會(huì)徹底改變能源生產(chǎn)。”

但Bourakébougou的天然氫生產(chǎn)有其局限性。Petroma公司認(rèn)為，這里開(kāi)發(fā)深度淺而且天然氫純度極高（98%），因此成本可以大幅度下降。對(duì)于世界其他地方的天然氫來(lái)說(shuō)，條件可能沒(méi)那么好。

目前的學(xué)者多認(rèn)為天然氫深藏地下，因此大部分投資者認(rèn)為是氫可以像石油和天然氣一樣被鉆井開(kāi)采出來(lái)的，通過(guò)鉆到巖層下多孔巖石或不滲水巖層的氫儲(chǔ)層中進(jìn)行開(kāi)采。或者是對(duì)較淺層的斷裂的烴源巖儲(chǔ)層進(jìn)行開(kāi)采。第三種方法則認(rèn)為可以通過(guò)向富含鐵的巖石中沖水也可能刺激氫氣的產(chǎn)生。

但是由于氫氣無(wú)色、無(wú)味、自身質(zhì)量輕，溶解度小等的特點(diǎn)導(dǎo)致其不宜開(kāi)采；而極易揮發(fā)遷移揮發(fā)的特性導(dǎo)致了獲得的濃度較低；較深層的存在使得常規(guī)地質(zhì)勘探或化石能源開(kāi)采難以獲得，因此需要研究新型完井技術(shù)……而目前還沒(méi)有形成較為成熟的開(kāi)采技術(shù)，勘探設(shè)備的成本也高懸不下。因此天然氫的開(kāi)采難度也隨之加大。

此外在開(kāi)采過(guò)程中，由于氣體分析儀器較少設(shè)計(jì)氫傳感器，因此，天然氫的逸出量難以得到確切的統(tǒng)計(jì)。

雖然科學(xué)家對(duì)于現(xiàn)存的地殼中的天然氫估量有信心，但是其在地下的分布過(guò)于分散的現(xiàn)狀為開(kāi)發(fā)利用增加了難度，降低了商業(yè)開(kāi)發(fā)的現(xiàn)實(shí)可能性。

目前我們對(duì)地殼內(nèi)氫氣性質(zhì)和行為特性缺乏了解，總體來(lái)說(shuō)天然氫賦存在多種地質(zhì)環(huán)境中，來(lái)源廣泛，目前在全球范圍內(nèi)只有少數(shù)地區(qū)發(fā)現(xiàn)其存在，以前蘇聯(lián)居多，其次是北美洲和歐洲。

天然氫展望

2021年，全球氫能需求達(dá)到9400萬(wàn)噸，包含的能量相當(dāng)于全球最終能源消耗的2.5%。

其中，大部分增長(zhǎng)來(lái)自煉油和工業(yè)的傳統(tǒng)用途，新應(yīng)用的需求增長(zhǎng)到約4萬(wàn)噸，較2020年增長(zhǎng)了60%。據(jù)國(guó)際能源署發(fā)布，2030年全球氫能需求量有望突破1.3億噸。

為了減少對(duì)環(huán)境的影響，降低通過(guò)甲烷與蒸汽在高壓下反應(yīng)或以其他方式使用化石燃料制成的“灰氫”的依賴度，全球大多數(shù)國(guó)家都將賭注壓在了利用可再生太陽(yáng)能或風(fēng)能，通過(guò)電解槽獲取的綠氫上。

而綠氫制取成本約為每公斤5美元，是灰氫的兩倍多。這使得更多生產(chǎn)者愿意采取其他替代能源。

氫能對(duì)于能源轉(zhuǎn)型的重要性已經(jīng)無(wú)需贅述。但受困于經(jīng)濟(jì)性，綠氫只能在氫能消費(fèi)中占據(jù)十分有限的比例。

法國(guó)天然氫的發(fā)現(xiàn)一度引發(fā)整個(gè)歐洲的瘋狂。要知道，歐洲不僅對(duì)于天然氣有著極高的需求和進(jìn)口依存度，而且也面臨著巨大的轉(zhuǎn)型和碳中和壓力。

歐洲一直在尋求多元化和低碳化的能源供應(yīng)方式，以提高能源自給率和減少碳排放。氫能正是其中關(guān)鍵一環(huán)。

根據(jù)歐盟委員會(huì)的估計(jì)，到2030年，歐洲的氫需求將達(dá)到2400萬(wàn)噸，到2050年將達(dá)到8000萬(wàn)噸。這將為歐洲創(chuàng)造一個(gè)價(jià)值數(shù)百億歐元的新興市場(chǎng)，為歐洲的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和長(zhǎng)期增長(zhǎng)提供動(dòng)力。法國(guó)發(fā)現(xiàn)巨量天然氫儲(chǔ)量，將為歐洲提供了一個(gè)新的能源選擇。

目前全球許多國(guó)家都開(kāi)始了尋找天然氫的活動(dòng)， 除了偶然在非洲馬里開(kāi)采出天然氫外， 澳大利亞、美國(guó)、巴西和法國(guó)等國(guó)家都開(kāi)始了行動(dòng)。除了先采用衛(wèi)星圖像識(shí)別出地表有天然氫逸出的圓形、橢圓形極淺的洼地外， 還在這些區(qū)域部署了現(xiàn)場(chǎng)氫氣測(cè)量、地球物理調(diào)查等。

2013年， 美國(guó)成立了一家專(zhuān)門(mén)從事氫氣勘探的公司——天然氫能源公司（NH2E）， 2019 年，公司在內(nèi)布拉斯加州Fillmore縣完成第一口天然氫探井，并成功提取了氫氣和氦氣。

2021年， 南澳大利亞能源和礦產(chǎn)部在南澳大利亞開(kāi)始部署尋找天然氫項(xiàng)目， 并發(fā)布了氫勘探活動(dòng)許可申請(qǐng)書(shū)。

中國(guó)對(duì)于綠氫也有著強(qiáng)烈的需求，天然氫的發(fā)展也自然會(huì)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。不過(guò)目前針對(duì)天然氫，中國(guó)并未展開(kāi)大規(guī)模的、系統(tǒng)的研究，更多的是將氫作為監(jiān)測(cè)自然環(huán)境和油氣資源的參照。

而在針對(duì)油氣等其他礦物展開(kāi)的勘探活動(dòng)中，并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)探測(cè)氫氣的存在，有氫氣檢測(cè)數(shù)據(jù)的鉆井更是少之又少。

如果連天然氫分布現(xiàn)狀未完全厘清，那么將天然氫作為能源而進(jìn)行的工作尚需時(shí)日。

雖然目前國(guó)內(nèi)對(duì)于天然氫能源的研究尚尚未走出實(shí)驗(yàn)室，但是并不代表著在中國(guó)不存在天然氫。

從地質(zhì)條件上來(lái)講，中國(guó)是具備天然氫存在的地理?xiàng)l件的。在中國(guó)也存在與世界各地發(fā)現(xiàn)天然氫區(qū)域特征相似的特殊地形。例如江蘇盤(pán)石山的蛇紋石化作用區(qū)域、扶余— 肇東、濱州、呼蘭河等斷裂的斷層區(qū)域、煤盆地、溫泉區(qū)域等。

此外另有學(xué)者指出， 中國(guó)的沉積盆地、構(gòu)造活躍區(qū)域及大陸裂谷地區(qū)具備發(fā)育高含量氫氣的地質(zhì)條件，例如渤海灣盆地、渭河斷陷等。

一旦天然氫成功實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化、經(jīng)濟(jì)性的勘探開(kāi)發(fā)，那么這對(duì)于化石能源、乃至整個(gè)世界的能源體系都有著重大的意義。也許那才是真正結(jié)束了“化石能源”時(shí)代的鐘聲。

不過(guò)全球?qū)Α皻錃庀到y(tǒng)”的認(rèn)識(shí)尚處于早期階段， 我國(guó)更是處于認(rèn)知尚淺的階段。或許更大程度地發(fā)展氫能應(yīng)用，建立起安全、高效、可持續(xù)的氫能源體系，天然氫的勘探和開(kāi)發(fā)可能也會(huì)獲得很大的發(fā)展。