天然氫：不可忽視的無碳新型能源寶藏

（本文發表于2024年第1期）

第一作者簡介田黔寧，正高級工程師。長期從事地質、礦產及油氣相關工作，參與礦產資源調查、油氣資源調查、炸彈尋找、考古、核電站選址、情報等研究項目，涉及地球物理、地學情報、地質、測繪、計算機編程等專業技術領域，設計開發用于地球物理和情報研究工作的計算機系統，并取得一定成效。承擔并完成項目30余項，發表學術論文40余篇，出版專著3部。

> 清潔地球

人類文明的基石是能量，縱觀歷史，人類經歷“火與柴草”“煤炭與蒸汽機”“石油與內燃機”三大轉變，逐漸從農耕文明步入工業文明。在能源利用不斷轉型的過程中，人們也意識到，在環境友好需求的驅動下，如氫能這類新型清潔能源已是大勢所趨。時間的車輪轉動到21世紀，基于碳中和共識及對能源安全的考慮，發展氫能勢在必行。由于氫能發展的戰略重要性，世界主要國家和地區都發布了相關支持政策，高度重視氫能產業，加快對氫能產業的布局，氫能產業持續升溫，由此，之前一直被人們所忽視的天然氫也得到全世界的關注。未來，天然氫可能會為人類尋找新能源添上濃墨重彩的一筆。

與蒸汽重整制氫（灰氫、藍氫等）或電解制氫（綠氫）不同，天然氫（地質氫、白氫或金氫）通過地殼和地幔中的地質構造運動和地球化學過程自然形成，它是一次能源，這一點與化石燃料和可再生能源相似。

氫（H），是一種氣體元素，也是宇宙中最輕、最豐富的元素，通常為雙原子分子（H2）。氫氣具有無色、無臭、無味的特性，無特定儀器很難檢測到；密度非常低，約為空氣的1/14，因此可以迅速擴散；它是高度易燃氣體，在氧氣中燃燒產生水蒸氣。氫氣是一種有吸引力的高效燃料，燃燒時釋放出大量能量，可用于工業生產、運輸和發電等。因為氫氣燃燒時僅產生水蒸氣，所以它還是溫室氣體排放量最小的清潔能源，用作燃料時不會造成空氣污染或氣候變化。然而，目前絕大多數氫是通過消耗能源制成的，制取過程會向大氣中排放大量二氧化碳，而不排放二氧化碳的電解制氫成本又較高。因此，未來氫能生產與利用需要追求更清潔、更低廉的能源供應渠道，目前來看，天然氫具備這種特質，由此，今后天然氫的勘探開發可能會占據氫能開發利用的舞臺中心。

幾個世紀前，人們就知道地下存在天然生成的氫氣，在元素周期表之父門捷列夫于煤礦中發現富氫氣體并進行記載后，有關逸出地表的富氫氣體的概念在19世紀后期就發展起來。但由于存在天然氫無法富集的認知偏差，長期以來，人們并沒有對地下天然氫成藏有進一步探索。直到1987年，馬里的布拉克布古村附近正在鉆探的一個水井發生爆炸，人們才發現了地下純度高達98%的氫氣，從2012年開始在此處鉆探氫氣并進行小規模發電。至此，人類開啟了天然氫勘探開發利用之門，這是全球迄今為止唯一一處被開發利用的天然氫氣藏。然而，隨著對天然氫氣藏賦存的地質構造的深入調查和研究，這種現狀將會改變，未來會發現更多的天然氫氣藏。

01

發現與分布

大氣中的氫含量極低，約為百萬分之0.5。而在海底或大陸噴氣孔、溫泉口、“仙女圈（天然氫逸出造成植被難以生長的圓形洼地，可以在航空或衛星照片中觀察到）”或構造裂縫處發現天然氫含量較高，而且在許多深度從幾米到1000米不等的地下水、石油和天然氣鉆孔中也發現有天然氫，由此可認為地下賦存大量天然氫。

天然氫分布廣泛，在裂谷、弧后盆地、克拉通盆地、條帶狀含鐵建造或礦化帶和礦床內、洋中脊和造山帶都能檢測到天然氫。全球天然氫分布受到地質和構造控制的影響，不同地區、不同地質環境其含量變化范圍在1%~100%之間。目前，大多數天然氫發現點集中在全球少數幾個地區，并以前蘇聯地區居多，其他位于美國、中非、歐洲和中國等國家。而這并不代表這些地區的天然氫賦存豐富，僅能說明在這些地區發現氫氣的活動更頻繁、受到關注的時間更長。

地下天然氫的產生和分布受多種地質控制因素的影響，這些控制因素對氫的生成、儲存和運移起著重要作用。天然氫的地質控制因素對于識別可勘探的區域和評價氫富集的可能性非常重要。

> 海底噴氣孔

> 陸地噴氣孔

> 溫泉口

> “仙女圈”

（Alain Prinzhofer，2019）

02

來源與賦存狀態

地殼中的天然氫主要由非生物作用和生物作用形成。地質學家認為，水巖反應、深部脫氣和水輻解可能是產生天然氫的主要非生物作用。產生氫氣的水巖反應是指水和富含鎂鐵的巖石之間發生的反應，即巖石中的鎂鐵質礦物在有水存在的環境下，水與其中的鎂鐵質礦物發生反應，轉變為蛇紋石，同時釋放出氫氣（稱為鎂鐵質巖石的蛇紋石化）；深部脫氣指從地球深處沿著構造板塊邊緣冒出“原生”氫氣，研究者曾給出了“地幔脫氣”的說法；水輻解指由地殼中放射性元素（鈾、釷或鉀）分解水分子形成氫氣，這個過程很緩慢。生物作用是通過有機物的厭氧分解、發酵和固氮菌生成天然氫氣。上述這些生氫機制，對天然氫的形成和富集起著重要作用，觀察到的天然氫可能存在不同的氫源，而且不同的地質環境產生氫氣的機理也很多，可通過氫同位素分析對氫氣的來源進行鑒別。

不同來源的天然氫，賦存狀態也有所不同，研究人員根據天然氫在地質環境中的賦存狀態，將其分為三類，即游離氫、包裹體氫和溶解態氫。通過巖石（或地層）的孔隙或裂縫自由遷移的天然氫為“游離氫”，主要在蛇綠巖中可以發現；以包裹體形式或者以吸附的形式圈閉在巖石內的天然氫稱“包裹體氫”，在橄欖石樣品中就有發現；以溶解態氣體存在于地下水中的天然氫為“溶解態氫”，在裂谷和深斷層中可以發現。

> 地下天然氫工廠（Eric Hand，2023）

03

開發利用成本

全球每年消耗7000多萬噸氫氣，主要用于工業用途。目前市場上的氫都是制造出來的。蒸汽重整制氫（灰氫和藍氫）是工業制氫最常用的方式之一，缺點是會釋放大量的二氧化碳，加上碳捕獲和碳儲存環節，生產成本約為每千克2~4美元。水電解制氫（綠氫）屬于能源密集型生產工藝，生產成本很高，為每千克5~8美元，且目前只占氫生產總量的4%。而天然氫是可以從地下開采出來的資源，開發天然氫僅需消耗少量能源，既不需要淡水，也不排放二氧化碳，生產成本估計每千克不到1美元。因此，天然氫比目前人工制氫更便宜，更環保，與其他可再生能源和無碳能源相比，其成本較低，因此天然氫具有挑戰化石燃料的有利地位。開發天然氫的關鍵挑戰之一將是克服運輸問題，如果未來能夠借鑒石油和天然氣運輸技術，形成安全的運輸系統，那么天然氫可能會同150年前石油開發熱潮一樣，有望成為未來能源的改變者。

> 氫的生產成本（美元/千克）

04

估算資源量

地下天然氫在生成、運移、積累和保存方面存在不確定性，所以目前無法精準確定潛在資源量。盡管如此，人們對地下天然氫的形成還是取得了不少研究成果。研究人員認為，在下地幔內，天然氫廣泛分布，但其資源量未知。在上地幔—地殼內，據估算年產天然氫量約為（254±91）×109立方米（2540億±910億立方米），這個估算量隨著全球對天然氫調查工作的進一步部署，可能會有所提高。最近，相關學者根據當前數據建立了天然氫資源潛力評價模型，估算原地天然氫資源量為數十萬噸到數千億噸不等，平均達到數千萬噸。研究者認為，即使大多數天然氫礦藏因埋藏太深、離岸太遠、累積量太少而無法進行開采，但只需開采其中的百分之幾的量，就能滿足百年內年均約5億噸的氫氣需求量。近幾年來，在馬里布拉克布古氣田、澳大利亞約克半島、西班牙蒙松礦區、法國洛林盆地均發現了大量天然氫氣藏，它們的天然氫資源估算量分別為500萬噸、130萬噸、500萬~1000萬噸、4600萬噸。

目前認為現存天然氫可以滿足全球1/4的用氫需求，但實際資源量尚未得到證實。要確定地下有多少天然氫，很難給出一個確切的數字，全球地下天然氫富集的潛力尚不清楚，需要后期投入大量研究來深入了解地下天然氫的富集過程和富集量。

05

勘探開發現狀與挑戰

目前，天然氫勘探開發尚處于起步階段，全球第一個開發利用的天然氫氣藏（2012年，在馬里的布拉克布古地區），雖已過去10多年，然而此處地下的氫氣還在源源不斷產出，此例不僅證實了開采的地下天然氫比人工制氫的成本更低，也點燃了天然氫勘探開發的星星之火。

從馬里這個重大突破開始，尤其是近幾年，天然氫吸引著越來越多的目光，越來越多的創業公司加入了這股熱潮。目前澳大利亞和美國處于領先地位，在南澳大利亞州，申請或獲得天然氫勘探許可證數量激增。2021年以來，澳大利亞已頒發40多個天然氫勘探許可證，主要在占地面積57萬平方千米的南澳大利亞州開展天然氫勘查工作；目前已確認一處高含量的天然氫氣田，估計可開采的氫氣量為130萬~880萬噸。美國天然氫勘探項目正在逐步實施，開展了相關天然氫調查工作，并在亞利桑那州麥考利氣田、內布拉斯加州和堪薩斯州進行了天然氫鉆探；與此同時，還在科羅拉多州啟動了一個天然氫勘探開發試點項目。歐洲天然氫勘探開發項目數量也在成倍增加，西班牙在阿拉貢比利牛斯山脈開展了天然氫勘查工作，發現大量天然氫礦床，并準備開發這些礦床，目標是每年開采5.5萬~7萬噸天然氫；法國在西比利牛斯山和洛林進行了天然氫勘探活動，并宣布在洛林發現了天然氫氣藏，1家公司已申請此區域獨家采礦勘探許可，還有3家公司申請了法國皮雷內斯—亞特蘭蒂斯地區、中部多姆山地區采礦勘探許可證，以開發天然氫氣藏。巴西一個直徑500米的“仙女圈”正在進行氫氣連續監測，每天的氣體流量約17.8萬立方米。中國在松遼盆地等一些地區的鉆井中同樣發現了天然氫，但尚未開展有針對性的勘探開發工作。

盡管全球天然氫勘查鉆孔數量、發現的潛在天然氫氣藏數量和涉及的公司數量正在迅速增加，尋找到天然氫氣藏的證據也越來越多，然而，觀察到的地質環境的多樣性、各種提出的生成機制，以及在確定生成因素時的明顯不一致，表明我們對其來源、富集程度和含氣豐度的理解因缺乏調查研究而受到限制。許多現有證據是通過對油氣或特定地質過程和環境的調查得出的，都是間接的認識，而且不恰當的檢測、分析和常規取樣方法可能會擾亂或無法獲取準確的氫氣測量數據，造成目前很難發現具有經濟可采的天然氫氣藏的局面。

當前，對天然氫在地殼中運移和富集的地質認識還非常有限，雖然前期研究已積累一些證據，但尋找這種新興氣藏仍具有挑戰性。天然氫產于地下深處，然后運移至地表，最終在大氣中擴散，雖然可參考常規天然氣勘探開發建立的“源—運移—儲層—蓋層”油氣成藏系統，但天然氫的形成和儲存的地質條件與天然氣成藏機理存在較大差異，而且氫氣來源及其所伴生的巖石類型和流體的多樣性，則需要進一步監測、記錄地表天然氫逸出，研究天然氫成藏系統，甚至鉆探潛在的天然氫儲層，形成全面的天然氫勘探指南，才能成功實現天然氫商業開發。另外，開發天然氫氣藏時還需要弄清其位置、大小、技術實用性、安全性、成分、壓力，以及儲層中自然補充天然氫的速率，這些還需要對天然氫探測采用的遙感、地球化學、地球物理等勘探方法和工具進行進一步探索。

目前，研究者給出了一些初步地質觀點：尋找富含鐵或富含鈾的目標基底；尋找斷裂；尋找沉積蓋層，特別是存在含水層或蒸發巖的沉積層；檢測地表天然氫并進行長期監測，逸出標志可能顯示為“仙女圈”，也可能沒有任何標志；監測礦山、地下水、石油和天然氣鉆孔中的氫氣。這些觀點可以用來指導尋找地下天然氫的勘探活動。

06

環境與能源意義

天然氫的環境意義在于其作為清潔和可持續能源的潛力。使用天然氫可以對環境產生許多積極影響，其中之一就是減少溫室氣體排放。當用作燃料時，氫氣燃燒僅產生水蒸氣，不釋放二氧化碳和其他有害污染物，這有助于緩解氣候變化和改善空氣質量。天然氫可以通過地質構造運動和地球化學過程持續產生，使其成為一種一次能源，可持續不斷地為人類提供能量。天然氫燃燒時，可釋放大量能量，這種能量可應用于各種領域，包括發電、運輸和工業過程。天然氫可以用作燃料電池系統中的燃料，還可用于內燃機、渦輪機和其他能量轉換設備。此外，氫可以是各種工業的原料來源，包括化學生產。

天然氫是實現長期能源安全和減少對化石燃料依賴的選擇，并有可能在儲能中發揮重要作用。天然氫可以利用現有的天然氣管道、儲存設施和輸送網絡，無需對設施進行重大更改，這種可擴展性和兼容性使天然氫成為從化石燃料過渡到清潔能源的可行選擇。此外，使用天然氫作為能源還可以提高能源獨立和安全，可以提高能源供應鏈的穩定性和彈性。

相信未來，天然氫勘探開發在世界各國的努力下，其潛力和優勢能得到有效發揮，可為全球提供一種碳中和可持續發展的能源選項。而且，天然氫的開發利用，也可超越其本身的能源意義，隨著天然氫研究的深入和資金的投入，還可以推動相關技術創新、降本增效，為綠色地球的可持續發展賦能。

作者： 田黔寧 付 剛 劉延明 楊匯群

編輯： 何陳臨秋

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

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