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作為一種天然的可再生能源，白氫引起了越來越多的關注。若這種存在于自然界的氣體足夠多地被發現，世界能源體系可能因此而發生徹底顛覆。 當兩位科學家在法國東北部的阿爾薩斯-洛林地區尋找化石燃料時，他們并沒有想到竟然會有意外收獲。 今年5月，法國國家科學研究中心的兩位研究主任雅克·皮羅農(JacquesPironon)和菲利普·德·多納托(PhillipeDeDonato)使用世界首個專用探測器評估洛林礦盆地底土中的甲烷含量。在幾百米深處，探測器發現了低濃度的氫氣。皮羅農表示，這并不是一個真正的驚喜，在鉆孔表面附近發現少量物質是很常見的。但隨著探測的深入，氫氣濃度逐漸升高。在1100米處，該比例為14%；在1250米處，比例為20%。 “這令人驚訝。它表明地下存在一個巨大的氫氣庫。”兩位科學家進行了計算，洛林盆地可能含有4600萬噸天然氫氣，相當于目前世界氫氣產量的一半。 皮羅農說，這可能是迄今為止發現的最大的“白氫”礦床之一。這一發現進一步激發了人們對氫氣本已狂熱的興趣。 白氫——也被稱為“天然”、“黃金”或“地質”氫——是自然產生或存在于地殼中的。氫是地球上最豐富的化學元素，天然存在于從水到植物的一切物質中。然而長期以來，天然氫存在與否一直是一個熱門話題。 雖然氫是宇宙中最豐富的元素，但它通常與其他分子結合存在。目前，商業氫是通過能源密集型過程生產的，大部分由化石燃料提供動力。科學家們一直懷疑自然界是否真的有足夠的白氫，來證明對其勘探和開采進行投資的必要性，但法國的這一最新發現，為開發自然氫提供了新的證據。 一年來，人們對這種還處于科學邊緣的“自然氫”的關注迅速上升，其背后的原因是什么？實現商業化開采的可能性有多大？ 未來石油 氫被譽為“未來的燃料”。它在燃燒時只釋放熱量和水，使其成為有吸引力的化石燃料替代品，特別是對于航空、航運和煉鋼等行業來說，需要大量的能源，并且幾乎不可能通過太陽能和風能等可再生能源實現滿足。但目前大部分氫氣生產依賴于天然氣或煤炭，其過程會排放大量二氧化碳。使用可再生能源制造的“綠氫”提供了一種有前途但昂貴的替代方案。 白氫，與其他類型的氫相比主要有以下三個優點：首先，它是一種不排放二氧化碳的氫氣。二氧化碳排放是灰氫的主要問題，因為它是通過重整過程從天然氣或其他輕烴(如甲烷或液化石油氣)中產生的。其次，它也不需要大量的可再生能源來通過水電解來生產，這是綠氫的生產方式。這是一種昂貴、效率也較低的方法。第三個優點是它來自于自然的地質和化學現象。 “如果你四年前問我對天然氫的看法，我會告訴你‘哦，它不存在’，”美國地質調查局地質科學家杰弗里·埃利斯（GeoffreyEllis）說。“氫就在那里，我們知道它就在附近，”他說，但科學家通常認為不可能大量積累。據他的估計，地球表面下可能潛藏著數百億噸白氫。“氫氣被忽視并不奇怪，因為它是一種無色無味的氣體，此外還會被地下的微生物所掩蓋，這些微生物會消耗天然氫氣。” 可以說，當前業界對白氫興趣的催化劑可以追溯到西非國家馬里。1987年，在位于馬里首都巴馬科西北約60公里處的Bourakébougou村，鉆井取水時偶然發現氫氣。一名工人在靠近井邊抽煙時，意外爆炸，導致他被燒傷，該井很快被封存并廢棄。直到2011年，尋找化石燃料的鉆探人員證實了一意外發現：西非干旱土地下數百英尺處蘊藏著豐富的天然氫。據報道，其生產的氣體中氫氣含量達98%，它被用來為村莊供電，十多年后的今天，仍在生產。 2018年，一項有關這口井的研究發表后，引起了包括埃利斯在內的科學家們的注意。而最近法國的發現令埃利斯感到興奮，他見證了美國頁巖氣行業的快速發展，其徹底改變了能源市場。他說，“我認為我們可能正在經歷第二次革命。氫氣一直在那里，我們只是沒有尋找它，沒有在正確的地方尋找。” 位于澳大利亞蘇比亞科的HyTerra公司首席運營官盧克·維爾特羅普（LukeVelterop）表示：“想象一下，一個由大自然提供燃料的地下工廠的潛力，它可以產生一個不斷補充的清潔、可調度的能源供應。”他認為，白氫解決了可再生能源的間歇性問題，并提供了取代化石燃料所需的安全性和穩定性。 在科學家們看來，現在的問題不再是資源，而是在哪里可以找到大量的有開采價值的儲量。而對于剛剛起步于探索的領域，研究其產生的原因是找到他的關鍵。 儲量真相 從理論上講，天然氫是一種天然的可再生能源，與需要數百萬年形成的化石燃料儲存不同，天然氫是不斷形成的，能夠以低成本無休止地開采。也就是說，天然氫是地球上一種通過自然、不斷產生的取之不盡的可再生清潔能源。 埃利斯說：“從歷史上看，天然氫一直被忽視。”氫是反應性最強的元素之一，這也是它很容易與碳結合成化石燃料的原因之一。因此，人們通常認為純氫在自然界中極為罕見，它的作用被忽視，以至于氣相色譜法（化學家用來計算氣體混合物成分的過程）通常使用氫氣作為載體材料，因此無法在地下井的樣品中檢測到氫氣。  據目前的研究，自然過程可能導致地殼中產生氫的幾種方式，但天然沉積物的形成規模仍存在一些不確定性。關于氫氣的生成機制，尚未形成定論，但普遍認為主要有以下幾種：蛇紋巖水巖反應、輻射水分解、斷層摩擦、巖漿脫氣、地幔脫氣等。地質學家傾向于關注以下兩種形成機理：一是“蛇紋巖水巖反應”即水與富含鐵的巖石發生反應產生氫氣；二是“輻射水分解”，即地殼深層大量鈾、釷等放射性元素,這些元素放射性衰變時釋放射線,其能量將水分子分解產生氫氣。 過去100多年以來，全球在陸地、海洋中發現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、大洋洲等各個地區。 從全球來看，地質氫氣的數量可能是“天文數字”，這個推測是基于產生氫氣所需的地質條件極為普遍而得出的。在前寒武紀大陸巖石圈的巖石中經常觀察到水巖和輻射分解反應，該巖石圈占全球大陸地殼表面積的70%以上，這表明氫演化的潛力存在于全球范圍內，而不是區域性的。國內外對天然氫的勘探調查尚處于起步階段，近年來，美國、加拿大、芬蘭、菲律賓、澳大利亞、巴西、阿曼、土耳其和馬里都發現了白氫，這讓潛在的淘金者相信還有無數的資源等待被發現。而在這些發現中，有些是偶然發生的，另一些是通過尋找線索而發現的，比如一些被稱為“仙女圈”的景觀特征。在這些淺的、橢圓形的凹陷處，可能會有氫氣逸出。 基爾大學地球科學家菲利普·鮑爾表示，白氫的真正潛力將取決于這些早期項目的發現。“我們正處于新認識的風口浪尖，但這是否能轉化為真正的新能源是一個非常大的問題，許多地質學家不了解這一領域并且認為，如果氫氣存在，各大石油公司不是早就發現了它嗎？事實上，大多數氫的發現都是偶然的。 埃利斯稱，盡管全球有大量潛在的地質氫氣，但其中大部分可能難以獲得。幾乎可以肯定的是，其中大部分都將是非常小的堆積，或者離岸很遠，或者太深，不具備經濟效益。在全球范圍內，地下可能至少有1000萬兆噸氫氣，遠遠超過目前世界上每年工業用氫100兆噸。氫氣在航空燃料等領域的新應用，將在未來20年將全球需求提高到至少500兆噸。但如果能找到并提取1%，就可以在200年內提供5億噸氫氣，那么對于白氫的追求和生產可能會徹底改變清潔能源行業。 NaturalHydrogen公司首席執行官兼創始人維亞切斯拉夫·茲貢尼克（ViacheslavZgonnik）在他的論文《天然氫的出現和地球科學：全面綜述》中指出，現有數據表明，未來每年可以從地下提取2300萬噸氫。這可能大大低估了真正的潛力。“這是目前對地面自然氫產量的估計，但在我看來，實際數字應該高出兩到三個數量級，因為我們仍然對氫系統了解不多，而且對氫系統的測量也非常稀缺。” 開采試驗 當前，氫能大范圍普及所面臨的最大問題仍然是高昂的成本。地下深處自然形成的氫極有可能是尚未開發的無碳能源的主要組成部分。這一點與石油和天然氣不同，氫的供應實際上是無限的。找出地質上存在大量氫氣的地方，并找到安全提取氫氣的方法，這些都是尚未解決的挑戰。尋找潛在的氫氣儲存地點需要類似于石油和天然氣行業使用的技術，并且要在地下數千英尺處使用相同的鉆井設備。 諸如殼牌（Shell）、英國石油（BP）和雪佛龍（Chevron）等大型能源公司也加入了由美國地質調查局和科羅拉多礦業學院創建的一個研究天然氫的聯盟，但一些雄心勃勃的初創公司已經踏上自行尋找氫氣之路。 對于許多初創公司來說，這是一個誘人的前景，一批鉆井初創公司試圖依靠類似石油、天然氣行業的技術尋找這個世紀最誘人的氫氣寶藏。 就像19世紀早期的石油工業一樣，自然氫的開發正在催生一波鉆井初創公司，競相探索以發現龐大的儲藏。 Koloma公司宣布從投資者那里籌集9100萬美元，包括比爾·蓋茨創立的BreakthroughEnergyVentures在內的投資支持，該公司只是在全球范圍內尋找可持續和可開采的白色氫礦藏的眾多初創公司之一。 在美國，NH2E、HyTerra兩家天然氫企業已確定北美中部裂谷系為天然氫富含地，NH2E公司是第一個在內布拉斯加州鉆探天然氫的公司，并希望成為美國第一口開始開采和生產的井。 在歐洲，成立于2018年的HeliosAragon公司，在西班牙北部擁有天然氣勘探許可證，占地約22萬英畝，正在開發歐洲第一個天然氫項目，并將于2024年下半年開始鉆探Monzon-2評價井，成本約為1200萬歐元。該井預計蘊藏110萬噸氫氣，不過該公司聲稱Monzon油田的幾個類似結構在許可范圍內的氫氣儲量大約為500-1000萬噸，而阿拉貢地區的氫氣儲量則超過1億噸。 勘探公司Hydroma在Bourakebougou小鎮外發現了98%純度的氫氣后，該公司轉向氫氣勘探，并于2019年更名為Hydroma。2017年至2019年，該公司在Bourakebougou周邊10公里范圍內鉆探了24口井，發現存在多個天然氫聚集地。 LaFrancaised’Energie在法國和GoldHydrogen在澳大利亞進行了類似的開發試驗，表明氫能的利潤預計將是多么豐厚。GoldHydrogen創始人盧克·泰特斯(LukeTitus)在南澳大利亞實現了歷史性的氫發現。10月，澳大利亞GoldHydrogen公司首次進行天然氫開采試鉆的地點選擇，最終首次試鉆氫氣濃度高達73%。泰特斯審查了南澳大利亞地質調查局的舊文件，其中包括對當地農民使用占卜棒尋找石油的數據分析。據記錄，1921年在袋鼠島鉆探的一個鉆孔產生了高達80%的氫氣，另一個位于附近的約克半島的比例接近70%。一個世紀后的今天，GoldHydrogen開始勘探該地區。 對這些科學家和企業來說，接下來面臨的挑戰是將假設轉化為商業現實。茲貢尼克表示：“目前探索天然氫的初創公司比大公司還要多，因為擁有采礦和鉆探技能和經驗的人們決定在尋找白氫的過程中碰碰運氣。但是，世界已經非常接近第一個商業項目。 商業化前景 而對于白氫開發這樣的新產業來說，實現商業化開發還需克服諸多困難。科學家們認為，氫在地球深處形成的方式、氫到底如何遷移到地表以及如何最好地提取氫仍然存在不確定性，這些答案對于了解白氫的生產成本至關重要。 可以說，對于天然氫的認識，才剛剛起步。科學家們對于它是如何產生的存在分歧，大多數理論集中在地殼深處的細菌活動或化學過程。逸出通常與地面上不尋常的圓形凹陷有關，稱為“仙女圈”，但目前尚不清楚這些形成的確切原因。在這些問題得到解決并繪制出地下礦藏圖之前，初創企業要想與能源行業的巨頭抗衡將面臨挑戰。 通常，氫氣與甲烷和氦氣等其他氣體一起存在于地下。從這個意義上說，它很像石油和天然氣。但與石油和天然氣不同的是，在勘探氫方面沒有類似的經驗。 我們還在努力調整我們擁有的石油和天然氣勘探技術，引入礦物和地熱勘探技術，并尋找如何優化針對天然氫積累的勘探計劃，”埃利斯說：“可能有幾十年的時間會出現大量的嘗試、錯誤。”但速度至關重要。“如果我們要花200年的時間來開發這項新的資源，那說明意義不大。” 但許多初創公司對此都持樂觀態度。一些人預測商業化需要幾年而不是幾十年。“我們擁有所需的所有必要技術，只是做了一些細微的修改，”茲貢尼克說。 挑戰依然存在。在一些國家，法規是一個障礙，并且對于這些公司而言，也需要建立新的融資結構。作為一種新興技術，氫勘探的融資結構與其他生產氫和衍生項目的方式不同，后者的項目根據已知產量和未來銷售情況提供資金。低碳氫及衍生品項目是資本密集型的，在最終投資決定之前，大多數項目都需要某種形式的供應購買協議，以鎖定買家部分或全部項目的數量，從而使項目可行。該模式與其他能源和大宗商品項目融資類似。 鑒于自然氫勘探前景及其經濟可行性的不確定性，融資和財務模式有所不同。與處于初始階段的新興技術有更多相似之處，例如世界上巨大的頁巖氣和致密氣儲量幾十年來一直未被發現。但隨著新的鉆探、測井和水力壓裂等回收方法的技術進步，開采成為可能。 而對于白氫的開發而言，就像任何不斷增長的業務和不斷發展的技術一樣，融資結構將隨著時間的推移而發展，隨著勘探活動的規模增大，可能會出現更多傳統的能源資本提供商。 其中，也包括成本的測算。尤其對高濃度天然氫礦藏，其開采成本可遠低于其他制氫途徑。根據馬里井的計算，白氫的生產成本約為每公斤1美元，而綠氫的生產成本約為每公斤6美元。 但如果大量礦床需要更深的鉆探，可能白氫就會變得更加昂貴。HyTerra公司正在美國進行天然氫勘探，他們相信可以以每公斤1美元的價格生產——按照這個價格，其才可能與天然氣競爭。 要使這一目標成為現實，就需要開放的心態，以及嘗試新方法的意愿。在法國的洛林地區，科學家們計劃下一步是鉆探至3000米深處，以更清楚地了解白氫的確切含量。 雖然還有很長的路要走，但一旦實現大規模開采，這個曾經是西歐主要產煤的地區成為新的白氫產業的中心。 一些科學家表示，缺乏有關氫氣泄漏及其可能造成的潛在危害的數據是新興行業面臨的一個問題。由于缺乏監測氫氣泄漏的技術，對天然氫需要小心處理，以降低安全風險并避免泄漏。 標準普爾全球預計，隨著需求增長，氫供應結構將轉向新興低碳氫途徑，化石燃料制氫產量從2037年開始下降。理論上，天然氫可以幫助滿足未來的需求。 毫無疑問，全球對天然氫的認識目前整體上處于早期階段,在機理研究、勘測、開發、應用等各方面均存在大量有待解決的問題。歷史經驗表明，對礦產資源可用性的預測幾乎總是被低估。然而，就像聚變能源一樣，關鍵是你是否押注這一可能會發生的革命。 |
