2023年12月初,法國政府批準了該國第一個天然氫勘探計劃。法國總統(tǒng)馬克龍隨后表示,“將提供大量資金探索天然氫的潛力”。
這種存在于地下的氫氣,因其地下儲量豐富和無碳清潔等優(yōu)勢,也被稱為“白氫”或“金氫”。隨著全球去碳提速,這種可再生清潔能源迅速在科學界和能源領域走紅。業(yè)內人士表示,盡管仍處于起步階段,天然氫將與“綠氫”等清潔能源一道,共同推動全球綠色革命。
被忽視的地下富礦
研究人員通常以顏色區(qū)分生產過程攜帶不同碳足跡的氫氣。“綠氫”被認為是最純凈的氫氣,由可再生能源電解水產生。“最臟”的是“灰氫”,利用化石能源生產氫氣,過程中將產生的二氧化碳排放到大氣中。
法國是天然氫氣儲量最多的國家之一。為實現2050年政府碳中和目標,法國近年來對氫能源替代化石燃料的可能性,特別是對其在制造和運輸領域的關注度日益提高。2023年5月,法國洛林地區(qū)又意外發(fā)現大量天然氫礦藏。該礦床可能含有600萬至2.5億噸氫,是迄今為止發(fā)現的最大的此類礦藏之一。
法國能源轉型部表示,目前共收到6個勘探天然氫礦床的申請,另5個申請在審查階段。此次獲批的是TBH2Aquitaine公司在法國西南部比利牛斯-大西洋省的勘探申請,勘探地區(qū)面積約225平方公里。預計獲得下一輪許可后,該企業(yè)將于2到3年后正式開始鉆探。
回溯歷史,人們不難發(fā)現,天然氫的蹤跡早已出現。
總部位于美國丹佛的Natural Hydrogen Energy公司首席執(zhí)行官、地球化學家維亞切斯拉夫·茲貢尼克發(fā)表論文稱,關于天然氫的第一次科學討論可以追溯到1888年,當時元素周期表之父德米特里·門捷列夫記錄稱,氫氣從烏克蘭煤礦的裂縫中溢出。100多年中,世界各地已記錄數百起氫氣泄漏事件。
《科學》雜志報道稱,雖然人類探測石油和天然氣的歷史悠久,至今已勘測了數百萬口井,但天然氫“長時間被忽視”的原因是,氫是最小的分子,極易與碳、氧分子發(fā)生反應形成其他化合物。因此,地質學家早前認為,即使氫氣幸存下來,也不太可能大量累積。
美國地質勘探局有機地球化學家杰弗里·埃利斯說,測井人員一般不會特意去測量氫氣,“這并非真正地在尋找氫,我們沒有使用正確的工具在正確的地方尋找。”
真正的突破發(fā)生在1987年,工人在西非國家馬里的布拉凱布古村打井取水時,遇到一場花費數周時間才撲滅的大火。“白天火的顏色如藍色的波光粼粼的水,沒有黑煙污染。夜晚的火光像金色閃閃發(fā)亮,在田野里我們都能看到彼此。”村民馬馬杜·恩古洛·科納雷在接受《科學》雜志采訪時這樣介紹。
多年后,人們才揭開這場大火的秘密。
2007年,馬里富商、天然氣公司Petroma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)現當時井眼中流出的物質是98%純度的氫氣。幾個月后,這里安裝了一臺發(fā)動機燃燒氫氣為村莊發(fā)電。目前,馬里也是世界上唯一一個開采白氫的國家。
自2018年相關團隊在《國際氫能雜志》上刊發(fā)其在馬里氫田的發(fā)現以來,能源界仿佛被投下了一枚巨石,余波不斷。
關于天然氫的形成、地質分布和實用化可能性等相關問題,大部分都仍有待研究。目前可以確定的是,天然氫不僅是清潔能源,而且可再生——當地下水在高溫高壓環(huán)境下與鐵礦物發(fā)生反應時,就會產生天然氫。馬里天然氫監(jiān)測數據顯示,這口鉆井十幾年來氫產量一直保持穩(wěn)定,沒有出現減少的情況。
新賽道上的奔跑
根據美國地質調查局2022年10月在美國地質學會會議上提出的模型,可能有足夠的天然氫來滿足人類數千年對能源不斷增長的需求。面對天然氫巨大的前景誘惑,來自澳大利亞、美國、歐洲等國家和地區(qū)的數十家初創(chuàng)公司正在爭奪氫能源勘探權。
在水力壓裂技術應用廣泛、頁巖氣資源豐富的美國,監(jiān)管環(huán)境較為寬松。不過,《科學》雜志援引美國地質調查局研究員埃利斯的話表示,“出于我不知道的原因,天然氫還沒有在北美流行起來。”
2022年,美國石油地質學家協(xié)會成立了第一個天然氫委員會,美國地質調查局開始努力,以確定美國有前景的氫生產區(qū)。維亞切斯拉夫·茲貢尼克表示:“我們還處于起步階段,但進展會很快。”
2019年,維亞切斯拉夫·茲貢尼克領導的初創(chuàng)公司Natural Hydrogen Energy在內布拉斯加州的玉米田和大豆田中鉆探了美國第一口氫井,目前計劃開發(fā)新井。該公司透露,第一個白氫商業(yè)項目的投運預計很快就會實現。
這是2023年12月12日在比利時安特衛(wèi)普-布魯日港拍攝的氫動力拖船
得益于得天獨厚的地質條件和新出臺的能源法規(guī),氫能在南澳大利亞迅猛發(fā)展。2021年2月,南澳大利亞州擴大石油法規(guī)適用范圍以允許鉆探氫氣,澳大利亞初創(chuàng)公司Gold Hydrogen聯(lián)合創(chuàng)始人盧克·泰特斯隨即提交申請,希望在約克半島和坎加魯島近8000平方公里的土地上進行勘探。另外他還創(chuàng)建了兩家造紙公司,對數千平方公里的土地提出申請。2023年10月,該企業(yè)在南澳約克半島的拉姆齊項目試鉆了第一口白氫井。
在西班牙,初創(chuàng)公司Helios Aragon首席執(zhí)行官伊恩·蒙羅也在探尋自己的氣體“金礦”。西班牙比利牛斯山脈的核心部位由富含鐵的海洋巖石構成,大約6500萬年前,由于板塊運動,這些巖石被擠壓并抬升。蒙羅說,深斷層將這些巖石中產生的氫引導到多孔砂巖層中,該砂巖層上覆蓋著致密的頁巖。
Helios Aragon公司計劃在2024年底鉆一口探井。蒙羅說,“我們相信我們將成為歐洲第一口天然氫井。”不過,由于該企業(yè)的租約是根據西班牙石油法簽訂的,2021年西班牙氣候法出臺后,新業(yè)務被暫停。在西班牙對氫氣鉆探禁令解除前,該企業(yè)將無法進行商業(yè)生產。
碳中和與氫能
當前,人們對天然氫的研究仍處于早期階段,天然氫的形成過程、遷移、如何實用化等難題有待科學家們和企業(yè)持續(xù)研究、實驗和解密。
值得注意的是,盡管氫是無碳的,但氫能作為能源也有其缺陷,主要是儲存和運輸等問題。例如,雖然1公斤氫氣所含能量與4升汽油接近,但常溫常壓下,1公斤氫氣的占用空間比混凝土攪拌車滾筒還要大。液化氫氣通常需要冷卻至零下253攝氏度,這將產生一筆巨額費用。同樣,大多數專家認為電熱泵比氫爐更有開發(fā)價值。
不過,美國麻省理工學院能源系統(tǒng)研究員達里克·馬拉普拉加達表示,全球預計能源需求的一半將難以通過改用電力來實現脫碳,這為氫氣提供了用武之地。
在氫氣家族中,相較于“綠氫”利用可再生太陽能或風能、用電解槽將水分子分解成氧氣和氫氣,天然氫氣具備顯著的成本優(yōu)勢。高盛集團發(fā)表報告預測,到2030年,全球氫能市場規(guī)模將增長1倍多,達到2500億美元,到2050年可達1萬億美元。
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