氫是一種清潔、高效、零碳的能源載體，作為連接氣、電、熱等不同能源形式的橋梁，將在未來(lái)能源體系中發(fā)揮重要作用，尤其是用于難以通過(guò)電力脫碳的行業(yè)。2022年全球氫氣產(chǎn)量達(dá)到9500萬(wàn)噸/年，低碳?xì)鋬H占0.7%[1]，無(wú)法滿足能源系統(tǒng)向清潔轉(zhuǎn)型的需求。盡管全球低碳制氫項(xiàng)目正呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，即使所有已宣布項(xiàng)目均能成功建設(shè)，到2030年全球低碳?xì)洚a(chǎn)能也僅達(dá)到4500萬(wàn)噸/年[2]，仍存在大量缺口。近年來(lái)，天然氫作為一種新的清潔氫氣來(lái)源逐漸受到關(guān)注。天然氫又被稱為“地質(zhì)氫”、“金氫”或“白氫”，是地下地質(zhì)作用產(chǎn)生的可再生氫氣，其生產(chǎn)成本低，儲(chǔ)量巨大。自天然氫在非洲馬里被成功開發(fā)以來(lái)，美、加、澳等國(guó)紛紛加強(qiáng)對(duì)天然氫的勘探和開發(fā)利用。2023年，天然氫首次被國(guó)際能源署(IEA)寫入氫能年度旗艦報(bào)告《全球氫能回顧》，并入選Science雜志年度十大突破[3]。本文系統(tǒng)梳理總結(jié)了全球天然氫勘探開發(fā)進(jìn)展，供決策參考。

一、天然氫的成因及資源潛力

天然氫一直長(zhǎng)期被忽視。由于自然界中的游離氫極為少見，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，氫氣難以在地下存在，或是儲(chǔ)量過(guò)少而不具備勘探價(jià)值，氣體采樣和檢測(cè)往往缺乏對(duì)氫氣的檢測(cè)。現(xiàn)代油氣開采通常在富含有機(jī)物的沉積巖中作業(yè)，這些巖層中的氫含量稀缺，因此也很少檢測(cè)到氫氣。原蘇聯(lián)研究人員認(rèn)為天然氫是油氣的主要成因機(jī)制，在多地開展檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了大量高含量天然氫的存在。目前，世界各地已記錄了數(shù)百起天然氫泄漏現(xiàn)象。研究顯示，美國(guó)東海岸卡羅萊納灣的圓形凹陷可能是地質(zhì)氫從深處遷移到地表的流動(dòng)路徑表現(xiàn)[4]，澳大利亞西部北珀斯盆地的“仙女圈”地貌可能是天然氫泄漏抑制了地面植被生長(zhǎng)導(dǎo)致[5]。2012年，加拿大Hydroma公司對(duì)西非地區(qū)馬里Bourakébougou村的一口因失火而封閉的干井進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中氫氣含量高達(dá)98%。該公司基于該井建設(shè)了全球首個(gè)天然氫發(fā)電商業(yè)電站，引起了人們的廣泛關(guān)注。尤其是2018年針對(duì)馬里天然氫井開發(fā)的研究在International Journal of Hydrogen Energy雜志發(fā)表[6]以來(lái)，天然氫相關(guān)研究論文數(shù)量大幅增加，對(duì)于天然氫的成因、分布環(huán)境、資源潛力等均進(jìn)行了研究。

對(duì)于天然氫的形成機(jī)制尚未有定論，當(dāng)前研究提出的機(jī)制有多種(如圖1[7])，其中有3種被認(rèn)為是主要成因：①水的輻解，巖石中的微量放射性元素輻射使水分解產(chǎn)生氫氣，該過(guò)程極為緩慢，在一些古老的巖石中最有可能發(fā)生;②蛇紋石化，在高溫高壓下，水與富鐵巖石反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，這種快速且可再生的反應(yīng)稱為蛇紋石化，可能是地質(zhì)氫最主要的成因;③地球深部脫氣，指地核或地幔存儲(chǔ)的氫氣沿著板塊邊界和斷層上升流出，由于勘探技術(shù)的限制，目前還無(wú)法直接觀測(cè)到地球深部中氫的存在，因此該說(shuō)法還存在爭(zhēng)議。

圖1 天然氫的生成機(jī)制

全球已發(fā)現(xiàn)的天然氫在分布上相對(duì)廣泛，其中體積分?jǐn)?shù)大于10%的高含量氫主要發(fā)育于蛇綠巖帶、裂谷和前寒武系富鐵地層這3種地質(zhì)環(huán)境中[8]。蛇綠巖帶位于匯聚板塊邊緣，主要由火山巖和沉積巖組成，其相關(guān)天然氫都具有較高含量顯示。阿曼是發(fā)現(xiàn)蛇綠巖帶天然氫最多的國(guó)家，多數(shù)樣品氫體積分?jǐn)?shù)超過(guò)60%，最高達(dá)到99%;土耳其、菲律賓、美國(guó)等國(guó)也有發(fā)現(xiàn)。裂谷天然氫主要發(fā)現(xiàn)于洋中脊區(qū)域，大西洋中脊彩虹熱液田(Rainbow hydrothermal field)中的氫氣體積分?jǐn)?shù)可超過(guò)40%，目前對(duì)該環(huán)境的天然氫檢測(cè)較少，僅在美國(guó)愛荷華州西北地區(qū)有所發(fā)現(xiàn)。許多已發(fā)現(xiàn)的天然氫都與前寒武系富鐵地層有關(guān)，在基底、巖石包裹體、沉積巖中均檢測(cè)到高含量天然氫，是全球天然氫的重要產(chǎn)層。

在資源潛力方面，自20世紀(jì)80年代起，相繼有學(xué)者對(duì)自然界中的天然氫生成量進(jìn)行估算，估算值呈數(shù)量級(jí)增加。結(jié)合地球形成以來(lái)的巨大氫消耗和產(chǎn)生量，地下存在大型氫氣儲(chǔ)層與氫源的可能性很高。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)基于石油行業(yè)的簡(jiǎn)單模型，開發(fā)了一個(gè)全球地質(zhì)氫資源預(yù)測(cè)評(píng)估模型，該模型考慮了非滲透巖石圈閉、微生物破壞影響，以及基于石油行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的假設(shè)(即只有10%的天然氫儲(chǔ)量能夠被經(jīng)濟(jì)地開采)，顯示天然氫資源潛力在萬(wàn)億噸量級(jí)[9]。其中大部分資源可能過(guò)于分散，無(wú)法被經(jīng)濟(jì)地開采，但只要有2%或3%的天然氫能夠被開采，就可滿足數(shù)百年的需求(以5億噸/年計(jì))[10]。目前，USGS正致力于繪制全球首個(gè)天然氫資源分布圖。

二、全球天然氫勘探開發(fā)現(xiàn)狀

實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)要求氫能的利用要基于清潔制氫，但當(dāng)前可再生能源生產(chǎn)的“綠氫”成本約為5美元/千克，是主流“灰氫”(即化石燃料來(lái)源如甲烷蒸汽重整制氫)成本的2倍多。美國(guó)能源部(DOE)推出“氫能攻關(guān)計(jì)劃”，提出了全球最具雄心的綠氫降本目標(biāo)—到2030年降至1美元/千克。天然氫的生產(chǎn)成本可比上述成本更低，得益于深度較淺和具有較高氫氣純度，馬里的天然氫生產(chǎn)成本可能低至0.5美元/千克。2021年的全球首屆天然氫大會(huì)H-Nat上，與會(huì)專家表示天然氫的成本在0.5~1美元/千克[11]。

天然氫的成功開發(fā)促使許多國(guó)家開展布局。美國(guó)石油地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)在2021年成立了首個(gè)天然氫委員會(huì)。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)與美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院在2023年9月啟動(dòng)了一個(gè)聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目，合作單位包括英國(guó)石油公司(BP)、雪佛龍等大型石油公司，旨在研究地質(zhì)氫的資源潛力并開發(fā)勘探技術(shù)，確定地質(zhì)氫的儲(chǔ)藏地[12]。美國(guó)能源部先進(jìn)能源研究計(jì)劃署(ARPA-E)也在9月宣布投入2000萬(wàn)美元啟動(dòng)“地質(zhì)氫”計(jì)劃[13]，將通過(guò)變革性技術(shù)開發(fā)和示范，以最低經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境影響從地質(zhì)層中產(chǎn)氫，重點(diǎn)資助2個(gè)主題：①通過(guò)受激發(fā)的礦物學(xué)過(guò)程生產(chǎn)地質(zhì)氫，加深對(duì)產(chǎn)氫地球化學(xué)反應(yīng)及提高或控制產(chǎn)氫速率的認(rèn)知;②氫儲(chǔ)層管理地下工程，重點(diǎn)關(guān)注與地質(zhì)氫提取相關(guān)的技術(shù)，包括地下輸運(yùn)方法、地下工程改進(jìn)、生產(chǎn)和提取過(guò)程中的儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)和/或建模，以及評(píng)估氫儲(chǔ)層開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

南澳大利亞于2021年2月將氫氣納入《2000年石油和地?zé)崮芊ò浮返?ldquo;受管制物質(zhì)”范圍，使天然氫勘探許可得以授權(quán)，至今已頒發(fā)了40多個(gè)勘探天然氫礦床的許可證[14]。該法案現(xiàn)已修訂為《2023年能源資源法案》，將綠氫生產(chǎn)納入其中。澳大利亞地球科學(xué)局已經(jīng)完成了對(duì)澳大利亞地下鹽礦的審查，以確定地下儲(chǔ)氫的潛在地點(diǎn)，該項(xiàng)工作還將為天然氫提供勘探信息。

天然氫的勘探開發(fā)尚處于早期階段，以小型公司為主導(dǎo)。根據(jù)IEA的統(tǒng)計(jì)，從事天然氫勘探的公司已經(jīng)從2020年的僅有3家，發(fā)展到2023年中的40家。2023年4月，西班牙勘探公司Helios Aragón在西班牙北部比利牛斯山脈山麓發(fā)現(xiàn)了一個(gè)儲(chǔ)量超過(guò)100萬(wàn)噸的天然氫儲(chǔ)層，并于6月啟動(dòng)了歐洲首個(gè)天然氫項(xiàng)目Monzón，計(jì)劃在2024年開始鉆探第一口井，2028年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)[15]。該公司估計(jì)，天然氫的生產(chǎn)成本可以達(dá)到0.75歐元/公斤。法國(guó)能源公司(FDE)與洛林大學(xué)、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心(CNRS)合作開展Regalor研究項(xiàng)目，2023年5月在法國(guó)東部的一口鉆探井中發(fā)現(xiàn)大量天然氫[16]，地下1093米深石炭紀(jì)巖層中的流體含有15%的氫，并估計(jì)地下3000米處氫氣濃度為98%，預(yù)計(jì)將是迄今發(fā)先的最大天然氫儲(chǔ)庫(kù)之一。美國(guó)Natural Hydrogen Energy公司于2019年在美國(guó)內(nèi)布拉斯加州鉆探了全球第一口氫氣勘探井Hoarty NE3，并與澳大利亞HyTerra公司在2023年完成擴(kuò)展測(cè)試，成功鉆取了氫氣流。美國(guó)天然氫初創(chuàng)公司Koloma于7月獲得了比爾·蓋茨Breakthrough Energy Ventures等投資者的9100萬(wàn)美元風(fēng)險(xiǎn)投資，該公司創(chuàng)始人擁有16項(xiàng)氫氣提取相關(guān)專利，包括使用人工智能輔助激光成像和衛(wèi)星來(lái)評(píng)估天然氫的存儲(chǔ)地[17]。澳大利亞Gold Hydrogen公司在2023年11月宣布在位于南澳大利亞約克半島的拉姆齊1號(hào)(Ramsay 1)探井的240米深處發(fā)現(xiàn)含量高達(dá)73.3%的天然氫，并在1005米處發(fā)現(xiàn)了對(duì)于氫從深處來(lái)源遷移至淺層區(qū)域至關(guān)重要的裂隙系統(tǒng)[18]。該公司迅速宣布了天然氫試點(diǎn)項(xiàng)目計(jì)劃，隨后又在附近第二口勘探井中檢測(cè)到天然氫[19]，顯示在201米處含量很高，表明很可能存在天然氫的富集地。

表1 部分天然氫開發(fā)項(xiàng)目

三、未來(lái)展望

天然氫仍是一個(gè)新興領(lǐng)域，但有潛力成為重要的氫能來(lái)源，其具有降低生產(chǎn)成本，在支持能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型方面具有巨大前景。天然氫的勘探開發(fā)可以基于油氣開發(fā)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，未來(lái)在成因機(jī)制、資源勘探和潛力評(píng)估、開采利用等方面加大研究力度。首先，天然氫成因較為復(fù)雜，現(xiàn)階段對(duì)于地殼中氫的運(yùn)動(dòng)和聚集認(rèn)知有限，仍需進(jìn)一步補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，加大對(duì)形成機(jī)制及成藏過(guò)程研究，為未來(lái)長(zhǎng)期可持續(xù)開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。其次，天然氫的資源評(píng)估仍不準(zhǔn)確，需要加強(qiáng)資源勘察和評(píng)估，結(jié)合地球物理、衛(wèi)星遙感等技術(shù)，進(jìn)一步明確資源分布，并對(duì)已發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)層進(jìn)行深入評(píng)估，以推進(jìn)礦區(qū)劃分和開采。其三，在現(xiàn)有油氣開采技術(shù)基礎(chǔ)上，開展天然氫開采及增產(chǎn)相關(guān)研究和測(cè)試，進(jìn)行地質(zhì)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以確保安全、高效地開采利用。例如，遵循天然氫的產(chǎn)生機(jī)制，通過(guò)向反應(yīng)性地層注入水以刺激發(fā)生蛇紋石化生成氫氣是具有潛力的方向。這類開采的氫氣被稱為“橙氫”，其能量消耗高于天然氫，但由于產(chǎn)量高，生產(chǎn)成本仍低于“藍(lán)氫”(即化石燃料結(jié)合碳捕集制氫)。進(jìn)一步地，將不同反應(yīng)與蛇紋石化相結(jié)合可以取得協(xié)同增益，如在蛇紋石化過(guò)程中將溶解的CO2摻入水中形成固體碳酸鹽，可以在產(chǎn)生氫氣的同時(shí)捕集CO2。此外，還應(yīng)在巖石再生、地下微生物產(chǎn)氫等方面開展長(zhǎng)期研究，以進(jìn)一步提高天然氫資源的可持續(xù)性。