“天然氢”的潜力

2023年7月18日拍摄的由中铁武汉电气化局研制的氢能源地铁施工作业车

文/《环球》杂志记者 韩啸

编辑/马琼

2023年12月初，法国政府批准了该国第一个天然氢勘探计划。法国总统马克龙随后表示，“将提供大量资金探索天然氢的潜力”。

这种存在于地下的氢气，因其地下储量丰富和无碳清洁等优势，也被称为“白氢”或“金氢”。随着全球去碳提速，这种可再生清洁能源迅速在科学界和能源领域走红。业内人士表示，尽管仍处于起步阶段，天然氢将与“绿氢”等清洁能源一道，共同推动全球绿色革命。

被忽视的地下富矿

研究人员通常以颜色区分生产过程携带不同碳足迹的氢气。“绿氢”被认为是最纯净的氢气，由可再生能源电解水产生。“最脏”的是“灰氢”，利用化石能源生产氢气，过程中将产生的二氧化碳排放到大气中。

法国是天然氢气储量最多的国家之一。为实现2050年政府碳中和目标，法国近年来对氢能源替代化石燃料的可能性，特别是对其在制造和运输领域的关注度日益提高。2023年5月，法国洛林地区又意外发现大量天然氢矿藏。该矿床可能含有600万至2.5亿吨氢，是迄今为止发现的最大的此类矿藏之一。

法国能源转型部表示，目前共收到6个勘探天然氢矿床的申请，另5个申请在审查阶段。此次获批的是TBH2Aquitaine公司在法国西南部比利牛斯-大西洋省的勘探申请，勘探地区面积约225平方公里。预计获得下一轮许可后，该企业将于2到3年后正式开始钻探。

回溯历史，人们不难发现，天然氢的踪迹早已出现。

总部位于美国丹佛的Natural Hydrogen Energy公司首席执行官、地球化学家维亚切斯拉夫·兹贡尼克发表论文称，关于天然氢的第一次科学讨论可以追溯到1888年，当时元素周期表之父德米特里·门捷列夫记录称，氢气从乌克兰煤矿的裂缝中溢出。100多年中，世界各地已记录数百起氢气泄漏事件。

《科学》杂志报道称，虽然人类探测石油和天然气的历史悠久，至今已勘测了数百万口井，但天然氢“长时间被忽视”的原因是，氢是最小的分子，极易与碳、氧分子发生反应形成其他化合物。因此，地质学家早前认为，即使氢气幸存下来，也不太可能大量累积。

美国地质勘探局有机地球化学家杰弗里·埃利斯说，测井人员一般不会特意去测量氢气，“这并非真正地在寻找氢，我们没有使用正确的工具在正确的地方寻找。”

真正的突破发生在1987年，工人在西非国家马里的布拉凯布古村打井取水时，遇到一场花费数周时间才扑灭的大火。“白天火的颜色如蓝色的波光粼粼的水，没有黑烟污染。夜晚的火光像金色闪闪发亮，在田野里我们都能看到彼此。”村民马马杜·恩古洛·科纳雷在接受《科学》杂志采访时这样介绍。

多年后，人们才揭开这场大火的秘密。

2007年，马里富商、天然气公司Petroma董事长阿利乌·迪亚洛获得了布拉凯布古周边地区的勘探权。2012年，勘测团队发现当时井眼中流出的物质是98%纯度的氢气。几个月后，这里安装了一台发动机燃烧氢气为村庄发电。目前，马里也是世界上唯一一个开采白氢的国家。

自2018年相关团队在《国际氢能杂志》上刊发其在马里氢田的发现以来，能源界仿佛被投下了一枚巨石，余波不断。

关于天然氢的形成、地质分布和实用化可能性等相关问题，大部分都仍有待研究。目前可以确定的是，天然氢不仅是清洁能源，而且可再生——当地下水在高温高压环境下与铁矿物发生反应时，就会产生天然氢。马里天然氢监测数据显示，这口钻井十几年来氢产量一直保持稳定，没有出现减少的情况。

新赛道上的奔跑

根据美国地质调查局2022年10月在美国地质学会会议上提出的模型，可能有足够的天然氢来满足人类数千年对能源不断增长的需求。面对天然氢巨大的前景诱惑，来自澳大利亚、美国、欧洲等国家和地区的数十家初创公司正在争夺氢能源勘探权。

在水力压裂技术应用广泛、页岩气资源丰富的美国，监管环境较为宽松。不过，《科学》杂志援引美国地质调查局研究员埃利斯的话表示，“出于我不知道的原因，天然氢还没有在北美流行起来。”

2022年，美国石油地质学家协会成立了第一个天然氢委员会，美国地质调查局开始努力，以确定美国有前景的氢生产区。维亚切斯拉夫·兹贡尼克表示：“我们还处于起步阶段，但进展会很快。”

2019年，维亚切斯拉夫·兹贡尼克领导的初创公司Natural Hydrogen Energy在内布拉斯加州的玉米田和大豆田中钻探了美国第一口氢井，目前计划开发新井。该公司透露，第一个白氢商业项目的投运预计很快就会实现。

这是2023年12月12日在比利时安特卫普-布鲁日港拍摄的氢动力拖船

　　得益于得天独厚的地质条件和新出台的能源法规，氢能在南澳大利亚迅猛发展。2021年2月，南澳大利亚州扩大石油法规适用范围以允许钻探氢气，澳大利亚初创公司Gold Hydrogen联合创始人卢克·泰特斯随即提交申请，希望在约克半岛和坎加鲁岛近8000平方公里的土地上进行勘探。另外他还创建了两家造纸公司，对数千平方公里的土地提出申请。2023年10月，该企业在南澳约克半岛的拉姆齐项目试钻了第一口白氢井。

在西班牙，初创公司Helios Aragon首席执行官伊恩·蒙罗也在探寻自己的气体“金矿”。西班牙比利牛斯山脉的核心部位由富含铁的海洋岩石构成，大约6500万年前，由于板块运动，这些岩石被挤压并抬升。蒙罗说，深断层将这些岩石中产生的氢引导到多孔砂岩层中，该砂岩层上覆盖着致密的页岩。

Helios Aragon公司计划在2024年底钻一口探井。蒙罗说，“我们相信我们将成为欧洲第一口天然氢井。”不过，由于该企业的租约是根据西班牙石油法签订的，2021年西班牙气候法出台后，新业务被暂停。在西班牙对氢气钻探禁令解除前，该企业将无法进行商业生产。

碳中和与氢能

当前，人们对天然氢的研究仍处于早期阶段，天然氢的形成过程、迁移、如何实用化等难题有待科学家们和企业持续研究、实验和解密。

值得注意的是，尽管氢是无碳的，但氢能作为能源也有其缺陷，主要是储存和运输等问题。例如，虽然1公斤氢气所含能量与4升汽油接近，但常温常压下，1公斤氢气的占用空间比混凝土搅拌车滚筒还要大。液化氢气通常需要冷却至零下253摄氏度，这将产生一笔巨额费用。同样，大多数专家认为电热泵比氢炉更有开发价值。

不过，美国麻省理工学院能源系统研究员达里克·马拉普拉加达表示，全球预计能源需求的一半将难以通过改用电力来实现脱碳，这为氢气提供了用武之地。

在氢气家族中，相较于“绿氢”利用可再生太阳能或风能、用电解槽将水分子分解成氧气和氢气，天然氢气具备显著的成本优势。高盛集团发表报告预测，到2030年，全球氢能市场规模将增长1倍多，达到2500亿美元，到2050年可达1万亿美元。