天然氢：能否敲响终结“化石能源”时代的钟声？

天然氢来了，它才是碳中和的终极能源？

如果没有任何碳排放的氢气可以像石油天然气一样从地壳中开采出来，那么整个世界的碳中和进程都将会因此而改变。

这可能不会是一种奢望。比尔盖茨投资的初创公司Koloma，正在美国中西部开采天然氢，并计划根据《通货膨胀减少法案》IRA的生产税收抵免申请补贴。

什么是天然氢，它和天然气有何区别？在能源转型的当下，天然氢又有着怎样重要的意义？

何为天然氢？

1987年，马里首都巴马科西北55公里处的村庄Bourakébougou里，钻井工人正在一口干井旁边抽烟。突然一股澎湃的气流从100多米深的洞里涌出。这股气流遇到香烟的火星就被点燃，一下子爆裂开来。

幸运的是，这个倒霉的工人只是被烧上，而没有被炸死。人们花费数周时间才把大火扑灭，顺便把涌出了妖风的井给封上。

直到2012年，人们才最终确定Bourakébougou村庄下面蕴藏着的是纯度为98%的氢气（其余2%是甲烷）。

氢是一种清洁、高效的能源，由于其燃烧后完全没有二氧化碳排放，所以被认为是未来碳中和的终极能源解决方案。

但遗憾的是，氢并不是自然界中普遍存在的物质，现在人类需要通过化石能源或者电解水制备氢气。这一过程会释放出大量的碳排放，减少了氢的经济性和环境友好性。

天然氢，顾名思义是从自然界中直接开采而非人为从其他化合物中制取而得，属于一次能源。与氢气相比，天然氢无需人工制取，成本低，能够降低氢气需求对于电力系统压力。

这似乎颠覆了一直以来大家对于“氢气不来自于自然界”的传统认知。

实际上人类早已发现了天然氢的存在。20 世纪 70 年代以来，全球已在海底和陆地上发现了近百处天然氢渗漏和逸出案例。水与岩石相互作用产生天然氢的机制已被科学界印证。

目前在学术界关于天然氢的产生有以下几种理论：辐射分解、蛇纹石化、深藏氢。不管是哪种理论，都认为天然氢存在于地壳深层，通过分解或者水岩作用等被释放出来。

但是，天然氢在地表深处生成后因为氢气的性质并非稳定存在，氢气在断层和缝隙中移动很快，可以通过岩石扩散也可以被岩石层的微生物消耗。这也是天然氢虽然早已被发现，但并没有引起更广泛重视的原因之一。

作为一种特殊的一次能源，天然氢与天然气虽然在能源属性上相同，但二者之间的差别并非仅仅一字之差。

由于天然气的构成元素种含碳，因此在释放过程种，天然气会产生二氧化碳，对环境的友好程度略逊一筹。因此从环境角度来看，天然氢比天然气更具优势。

近两年来，天然氢开始受到越来越多的关注。除了比尔盖茨投资的Koloma外，更多的天然氢信息，正在进入大众的视野。

今年5月，法国在洛林矿盆地发现了高浓度的巨量天然氢，总储量可能高达4600万吨，是欧洲迄今为止发现的最大潜在天然氢，或改变欧洲能源的游戏规则，对欧洲乃至全球的能源转型和低碳发展都有着重要的意义。

但理想总是比现实要美好。

困难重重

在马里的Bourakébougou，加拿大Petroma公司一直在努力实现对天然氢的钻探。在目前所完成的25口勘探井中，都发现了天然氢。

为了进一步推动这项研究，Petroma公司建立了一个试点发电厂。该发电厂由井口采集的天然氢驱动，并为附近村落供电。这证明了天然氢在自然状态下可以产生足够规模且100％绿色的电力为房屋供电。根据初步测算，开采1kg天然氢的成本比当前人工制取氢气的成本低2~10倍，这对未来的能源系统非常有吸引力。

根据测算，马里Bourakébougou天然氢的成本有可能低至每公斤50美分。另一家西班牙天然氢勘探公司Helios Aragon的首席执行官Ian Munro表示，他的收支平衡成本最终可能在50到70美分之间。“如果它确实有效，它可能会彻底改变能源生产。”

但Bourakébougou的天然氢生产有其局限性。Petroma公司认为，这里开发深度浅而且天然氢纯度极高（98%），因此成本可以大幅度下降。对于世界其他地方的天然氢来说，条件可能没那么好。

目前的学者多认为天然氢深藏地下，因此大部分投资者认为是氢可以像石油和天然气一样被钻井开采出来的，通过钻到岩层下多孔岩石或不渗水岩层的氢储层中进行开采。或者是对较浅层的断裂的烃源岩储层进行开采。第三种方法则认为可以通过向富含铁的岩石中冲水也可能刺激氢气的产生。

但是由于氢气无色、无味、自身质量轻，溶解度小等的特点导致其不宜开采；而极易挥发迁移挥发的特性导致了获得的浓度较低；较深层的存在使得常规地质勘探或化石能源开采难以获得，因此需要研究新型完井技术......而目前还没有形成较为成熟的开采技术，勘探设备的成本也高悬不下。因此天然氢的开采难度也随之加大。

此外在开采过程中，由于气体分析仪器较少设计氢传感器，因此，天然氢的逸出量难以得到确切的统计。

虽然科学家对于现存的地壳中的天然氢估量有信心，但是其在地下的分布过于分散的现状为开发利用增加了难度，降低了商业开发的现实可能性。

目前我们对地壳内氢气性质和行为特性缺乏了解，总体来说天然氢赋存在多种地质环境中，来源广泛，目前在全球范围内只有少数地区发现其存在，以前苏联居多，其次是北美洲和欧洲。

天然氢展望

2021年，全球氢能需求达到9400万吨，包含的能量相当于全球最终能源消耗的2.5%。其中，大部分增长来自炼油和工业的传统用途，新应用的需求增长到约4万吨，较2020年增长了60%。据国际能源署发布，2030年全球氢能需求量有望突破1.3亿吨。

为了减少对环境的影响，降低通过甲烷与蒸汽在高压下反应或以其他方式使用化石燃料制成的“灰氢”的依赖度，全球大多数国家都将赌注压在了利用可再生太阳能或风能，通过电解槽获取的绿氢上。

而绿氢制取成本约为每公斤5美元，是灰氢的两倍多。这使得更多生产者愿意采取其他替代能源。

氢能对于能源转型的重要性已经无需赘述。但受困于经济性，绿氢只能在氢能消费中占据十分有限的比例。

法国天然氢的发现一度引发整个欧洲的疯狂。要知道，欧洲不仅对于天然气有着极高的需求和进口依存度，而且也面临着巨大的转型和碳中和压力。

欧洲一直在寻求多元化和低碳化的能源供应方式，以提高能源自给率和减少碳排放。氢能正式其中关键一环。根据欧盟委员会的估计，到2030年，欧洲的氢需求将达到2400万吨，到2050年将达到8000万吨。这将为欧洲创造一个价值数百亿欧元的新兴市场，为欧洲的经济复苏和长期增长提供动力。法国发现巨量天然氢储量，将为欧洲提供了一个新的能源选择。

目前全球许多国家都开始了寻找天然氢的活动, 除了偶然在非洲马里开采出天然氢外, 澳大利亚、美国、巴西和法国等国家都开始了行动。除了先采用卫星图像识别出地表有天然氢逸出的圆形、椭圆形极浅的洼地外, 还在这些区域部署了现场氢气测量、地球物理调查等。

2013年, 美国成立了一家专门从事氢气勘探的公司——天然氢能源公司(NH2E), 2019 年，公司在内布拉斯加州Fillmore县完成第一口天然氢探井，并成功提取了氢气和氦气。

2021年, 南澳大利亚能源和矿产部在南澳大利亚开始部署寻找天然氢项目, 并发布了氢勘探活动许可申请书。

中国对于绿氢也有着强烈的需求，天然氢的发展也自然会成为关注的焦点。不过目前针对天然氢，中国并未展开大规模的、系统的研究，更多的是将氢作为监测自然环境和油气资源的参照。而在针对油气等其他矿物展开的勘探活动中，并没有专门探测氢气的存在，有氢气检测数据的钻井更是少之又少。

如果连天然氢分布现状未完全厘清，那么将天然氢作为能源而进行的工作尚需时日。

虽然目前国内对于天然氢能源的研究尚尚未走出实验室，但是并不代表着在中国不存在天然氢。

从地质条件上来讲，中国是具备天然氢存在的地理条件的。在中国也存在与世界各地发现天然氢区域特征相似的特殊地形。例如江苏盘石山的蛇纹石化作用区域、扶余— 肇东、滨州、呼兰河等断裂的断层区域、煤盆地、温泉区域等。

此外另有学者指出， 中国的沉积盆地、构造活跃区域及大陆裂谷地区具备发育高含量氢气的地质条件,例如渤海湾盆地、渭河断陷等。

一旦天然氢成功实现了规模化、经济性的勘探开发，那么这对于化石能源、乃至整个世界的能源体系都有着重大的意义。也许那才是真正结束了“化石能源”时代的钟声。

不过全球对“氢气系统”的认识尚处于早期阶段, 我国更是处于认知尚浅的阶段。或许更大程度的发展氢能应用，建立起安全、高效、可持续的氢能源体系，天然氢的勘探和开发可能也会获得很大的发展。