天然氫：像黃金一樣珍貴

21世紀的“終極能源”

能源是人類生存和發(fā)展的重要支柱。回顧世界能源史，從人類開始用火到原子能被利用，已經經歷了兩次能源結構轉型。

第一次轉型發(fā)生在19世紀初，生物能向煤炭能源轉型。生物能是指柴火燃燒產生的能量，自從火被發(fā)現和利用后便成了主要的能源形式，讓人類有了照明、驅趕野獸、煮熟食物的能力，至此人類的生存能力大大提高了。18世紀60年代至19世紀40年代，第一次工業(yè)革命極大地推動了經濟的發(fā)展，是人類社會從農業(yè)時代向工業(yè)時代過渡的重要標志。第一次工業(yè)革命也被稱為“蒸汽革命”，蒸汽機的發(fā)明和廣泛利用推動了煤炭的大規(guī)模開采利用，人類進入了煤炭能源利用的新時代。

第二次能源轉型分為兩個階段。第一階段出現在20世紀60年代，煤炭能源向石油能源轉型。以石油為能源的內燃機比蒸汽機效率更高、體積更小，可以應用到更多的機器上。隨著內燃機技術的進步和大規(guī)模普及，石油逐步取代煤炭成為全球能源體系中占比最大的能源，被比喻為現代工業(yè)的“血液”。

第二階段發(fā)生在20世紀70年代，全球發(fā)生了一場前所未有的石油危機，對世界經濟造成巨大的沖擊，促使各國對能源問題進行深入的思考和探索，世界各國開始加大天然氣和核電能源的利用。

目前面臨的第三次能源轉型以可再生能源為重要目標，從石油和天然氣逐步向太陽能、風能、氫能等新能源過渡，旨在減少對化石能源的依賴，使用更高效的能源，減少對環(huán)境的影響，扭轉氣候變化以及減少溫室氣體排放，又被稱為“能源的低碳轉型”。

氫在元素周期表中排名第一，氫氣是最輕的氣體。與傳統(tǒng)能源相比，氫能是一種能量密度更高的燃料，發(fā)熱值極高，約為汽油的3倍、酒精的3.9倍、煤炭的4.5倍。石油燃燒產生能量的效率一般為30%～40%，而氫的發(fā)電能量轉化效率高達65%～90%。

氫氣燃燒之后的唯一產物是水，沒有任何污染。氫能有著“21世紀終極能源”之稱，被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧崱⒏咝А踩⒖沙掷m(xù)的二次能源，是人類的戰(zhàn)略能源發(fā)展方向。

雖說氫是宇宙中含量最多的物質，約占總量的75%，但是它太活潑了，幾乎不可能單獨存在，一般情況下，我們只能發(fā)現它的化學元素結合物。例如氫與氧結合成水，氫與碳、氧等結合成有機化合物，其中包括脂肪、氨基酸、水楊醛、丁烷、乙烯和甲炔。

根據氫的來源和生產過程中碳排放量的不同，氫可以分為灰氫、藍氫、綠氫和紫氫。

灰氫是通過化石燃料（石油、天然氣和煤炭）燃燒制造的，其制造成本低、技術成熟，但在制造過程中產生的二氧化碳排放量大，每生產1噸灰氫平均要排放15～20噸二氧化碳。此外，生產灰氫還會產生大量高鹽廢水及工業(yè)廢渣。藍氫是在生產灰氫的基礎上，將二氧化碳副產品捕獲、利用和封存后制取的。雖然藍氫已經能夠減少90%的碳排放，但是二氧化碳的封存條件非常苛刻，因此大大限制了藍氫的發(fā)展。綠氫是利用可再生能源（如太陽能或風能等）發(fā)電后再通過電解工序制取的，由于制取技術路線主要為電解水，其碳排放可以達到凈零。紫氫又被稱為“紅氫”，是以來源豐富的水為原料，利用核能大規(guī)模生產的。

綠氫是真正零排放的清潔能源，具有廣闊的市場前景，有望成為交通、工業(yè)等領域能源碳中和的有效解決路徑。綠氫發(fā)電有燃料電池和燃氣輪機兩種方式。其中，氫氧燃料電池是一種利用氫和氧通過化學反應直接產生電能的設備。燃氣輪機為實現從用天然氣到用氫的轉型，需要利用摻混燃燒作為過渡。最初，人們通過對現有燃燒室進行相對較小的改造，從而允許將氫氣混合燃燒到最大含量，然后進一步開發(fā)新型燃燒室，使燃機使用的氫氣含量達到100%。但目前綠氫的價格昂貴，產量在總產量中不足1%。因此，科學家仍在努力尋找更經濟、可行的“低碳”氫，甚至“零碳”氫。

前景誘人的天然氫產業(yè)

天然氫不需要使用大量電力就能將其從氧等其他元素中分離出來，生產方式更可持續(xù)，更有利于建設環(huán)境友好型社會。與此同時，天然氫能以一種安全、清潔、低成本的方式進行利用。與需要數百萬年形成的化石燃料儲存不同，天然氫能夠不斷形成，并被低成本無休止地開采。而灰氫的主要問題是二氧化碳排放。灰氫也不像綠氫那樣，利用大量的可再生能源通過水電解來生產。

2023年，《科學》雜志將“尋找天然氫源的熱潮”列入當年“十大科學突破”，指出天然氫是最重大的科學發(fā)現、科學進展及未來趨勢之一。天然氫又被稱為“白氫”“地質氫”“天生氫”，許多人將其視作黃金一樣珍貴，因此也稱它為“金氫”。

一般認為自然界很難生成天然氫。因為氫氣富含化學能且具有反應性，是一種強還原性氣體。地殼中的大部分氫氣被微生物消耗或轉化為其他化合物，很少單獨存在。氫氣密度較小，難以積累，會從密封的巖石中逸出。直到近十多年，大規(guī)模的天然氫氣不斷被發(fā)現，才為開發(fā)天然氫提供了新的可信度。

尋找天然氫源的熱潮可追溯到一個不起眼的村莊——馬里共和國首都巴馬科西北55千米處的布拉凱布古。1987年，有人在這里的一口探井旁取水時抽煙，突然一股澎湃的氣流從100多米深的探井里涌出，這股氣流遇到火星立即被點燃，一下子爆裂開來，幸好這個人只是被燒傷。之后，人們花費數周時間才把大火撲滅，順便把涌出氣流的探井給封上。村民馬馬杜·恩古洛·科納雷在接受《科學》雜志采訪時描繪道：“白天，火光的顏色猶如藍色的波光粼粼的水面，沒有黑煙污染。夜晚的火光則像閃閃發(fā)光的金子。”

2007年，馬里富商、查普曼天然氣公司的董事長阿利烏·迪亞洛獲得了布拉凱布古周邊地區(qū)的勘探權。2012年，勘測團隊發(fā)現當時探井中涌出的物質是98%純度的天然氫。幾個月后，查普曼天然氣公司便在這里安裝了發(fā)電機，用天然氫發(fā)電，為村民們供電。根據初步測算，開采1千克天然氫約需50美分，是利用太陽能、風能、地熱能或其他綠色能源電解制氫成本的十分之一。目前，馬里是世界上唯一一個開采天然氫的國家，為全球金氫商業(yè)開發(fā)提供了參考范例。

2018年，相關團隊在《國際氫能雜志》上發(fā)表了一篇關于布拉凱布古天然氫的論文。文章介紹，經過10多年的抽取后，探井中的氣體壓力并沒有下降，這表明地層深處正源源不斷地補充天然氫。從十幾口探井中獲得的證據，證實布拉凱布古周邊地區(qū)有可能存在一個巨大的天然氫層，至少有5個堆疊的儲層，覆蓋了直徑大于8千米的面積。

在布拉凱布古找到天然氫的意義，堪比1859年發(fā)現石油的意義。當時，一個名叫埃德溫·德雷克的人，在美國賓夕法尼亞州泰特斯維爾的石油溪谷地區(qū)鉆出了世界上第一口油井。這口油井開啟了美國人尋找石油的熱潮，并改變了世界能源格局。

2023年5月，法國科學家雅克·皮羅農和菲利普·德·多納托在檢查法國洛林地區(qū)廢棄礦山鉆井存在的沼氣風險時，使用世界上首個專用探測器評估洛林礦盆地底層土壤中的甲烷含量，結果在幾百米深處意外地發(fā)現了天然氫。皮羅農表示，隨著探測的深入，天然氫的濃度逐漸升高，在洛林礦盆地地下1100米處的天然氫濃度為14%，到了1250米處則增至20%。對此，科學家們下一步的計劃是鉆探至3000米深處，以便更清楚地了解天然氫的確切含量。皮羅農和多納托通過計算，得出了洛林礦盆地可能含有4600萬噸天然氫的結論。

2023年，澳大利亞一家天然氫公司獲得本國政府批準開展天然氫勘探后，在南澳大利亞一口百年前鉆探的探井地下240米深處，檢測到濃度高達73.3%的天然氫。此外，該公司還在這口深度達1005米的探井中，發(fā)現了目標地區(qū)境內廣泛相連的斷裂系統(tǒng)，這對于把天然氫從更深的源頭遷移至淺層區(qū)域至關重要。為了更好地了解潛在的氫氣儲量，該公司還檢測了另一口百年前鉆探的探井，兩口井相距約500米。

開發(fā)利用任重道遠

按照地球內部地質成因，天然氫可以分為原生氫和次生氫。其中，原生氫是指儲存在地幔或地核中的氫氣被逐漸釋放至近地表。而次生氫則是指地幔或地殼中通過各種化學反應生成的氫氣。

天然氫賦存在多種地質環(huán)境中，按照賦存狀態(tài)可以分為游離氫、包裹體氫和溶解態(tài)氫。其中，游離氫是指賦存在巖石（或地層）孔隙或裂隙中能自由運移的氫氣，是天然氫的主要賦存形式之一。包裹體氫是指氫氣以包裹體的形式或者以吸附的形式被圈閉在巖石內。而溶解態(tài)氫則是指天然氫作為溶解態(tài)氣體存在于地下水中。

天然氫的產生過程非常復雜，涉及多種地質因素和化學反應，迄今尚無一個統(tǒng)一的理論來解釋所有的現象。根據目前的研究，天然氫可能來源于生物成因、非生物成因和混合成因（即多種不同成因的結合）。

生物成因包括熱作用和微生物作用，如位于深層沉積物中的銨化合物在高溫下分解形成氫和氮。在阿曼發(fā)現的氫氮氣體滲漏現象，在位于美國蒙大拿州東南部的粉河盆地的煤層中也被觀察到。

非生物成因存在以下幾種情況：一是輻射水分解。在地殼深層的巖石中存在著大量的鈾、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。因受古老巖石層分布的限制，這個過程十分緩慢。二是蛇紋石化，即在地球深處，地下水與超鎂鐵質巖發(fā)生反應時，形成一種叫作“蛇紋石”的礦物，同時釋放出氫氣。超鎂鐵質巖是一種富含鎂、鐵元素的巖石，主要由橄欖石和輝石等礦物組成。超鎂鐵質巖是大洋中脊緩慢擴張的巖石圈的重要組成部分，也可以出現在不同的地質構造環(huán)境中。三是地心釋放。天然氫來自地球更深處的地幔或者地核，沿著板塊邊界和斷層縫隙上升到地表。

長久以來，科學家們一直關注蛇紋石化，這是一種快速且可再生的反應，可能產生了地球上80%的天然氫。美國能源部計劃投入2000萬美元，刺激地質層生成天然氫。該計劃負責人道格·威克斯表示，將探索加速蛇紋石化過程的方法，從地下產生天然氫。

從全球來看，基于產生天然氫所需的地質條件極為普遍，推測全球天然氫的儲量將十分可觀。近年來，在美國、加拿大、芬蘭、菲律賓、澳大利亞、巴西、阿曼、土耳其和馬里等30多個國家都找到了天然氫。一旦天然氫的開采和生產實現商業(yè)化，將輕松取代用可再生能源電解水生產的綠氫，成為更具競爭力的清潔能源新選擇。英國《獨立報》援引國際投行數據指出，預計到2030年，全球天然氫產業(yè)價值將達到750億美元。