地球是否蕴藏着巨量可再生无碳燃料？
原创 综合能源系统
2023年2月，Science期刊发表了一篇题为“Hidden Hydrogen：Does Earth hold vast stores of a renewable, carbon-free fuel”的News。本文深入探讨了天然氢气的存在及其作为一种清洁、可再生能源的潜力，特别是在马里Bourakébougou地区的发现。文章详细描述了天然氢气的生成机制、可能的储量以及商业化开发的挑战和前景。研究表明，天然氢气不仅清洁且可能是可再生的，有望替代化石燃料，为全球能源市场带来革命性变化。这些发现具有重要的环境和经济意义，尤其是在减少碳排放和提供新的能源选择方面。
引言
氢气作为一种清洁无碳燃料,正受到越来越多的关注。然而,目前商业化的氢气生产要么污染严重,要么成本高昂。一些科学家认为,地球可能蕴藏着大量天然氢气资源,如果开发成功,将彻底改变能源格局。本文将介绍天然氢气的发现、形成机制、潜在储量以及全球勘探现状,探讨这一新兴能源资源的潜力和挑战。
天然氢气的发现历程
2.1 早期发现
天然氢气的存在并非近期才被发现。根据地球化学家Viacheslav Zgonnik的研究,最早的科学讨论可以追溯到1888年。当时,元素周期表之父德米特里·门捷列夫报告了在乌克兰一座煤矿裂缝中渗出氢气的现象。在此之后,前苏联的研究人员对天然氢气进行了较为系统的研究,这与他们当时持有的一种现已被证伪的理论有关,该理论认为石油的形成需要大量的天然氢气参与。
2.2 矿井和废弃井中的发现
20世纪80年代,多伦多大学地球化学家Barbara Sherwood Lollar在加拿大和芬兰的矿井中进行研究时,意外发现了含有高达30%纯度氢气的样本。这一发现令人惊讶,因为当时没有人预料到系统中会存在氢气。
2.3 马里Bourakébougou的重大发现
2007年,马里商人Aliou Diallo获得了Bourakébougou村一个废弃钻井的开发权。这口井有着戏剧性的历史1987年,当地村民尝试钻井取水,但在108 米深处遇到了干井。然而,井中不断有风冒出。一名钻井工人在吸烟时不慎引燃了这股风,导致了一场大火,火焰呈蓝色,没有黑烟。这场火灾持续了数周才被扑灭。
2012年,Diallo聘请Chapman Petroleum公司对井中气体进行分析,结果令人震惊98%是氢气。随后,他们安装了一台改装的福特发动机,为村庄提供了第一次电力供应。这一发现不仅改变了Bourakébougou村的生活,也为天然氢气的存在提供了有力证据。
天然氢气的形成机制
科学家们认为,天然氢气主要通过以下几种方式形成
3.1 蛇纹石化作用
这被认为是天然氢气形成的主要机制。在高温高压条件下,水与富铁矿物(如橄榄石)发生反应,产生氢气。这一过程在大西洋中脊等地方已被直接观察到。例如,在被称为失落之城的海底热液喷口处,研究人员测量到了大量从海底喷出的氢气。
3.2 放射分解
地壳中的放射性元素(如铀、钍)在衰变过程中释放的辐射可以分解水分子,产生少量氢气。这一过程虽然缓慢,但在古老的岩石中可能累积出可观的氢气量。
3.3 深部来源说
一些科学家,如Zgonnik,提出了一个更具争议的理论地球核心可能存储原始氢气,正在缓慢向表面渗漏。这一理论虽然证据尚不充分,但如果成立,将意味着地球可能拥有更加巨大的氢气储量。
美国地质调查局(USGS)的Geoffrey Ellis估计,地球每年通过这些机制产生的氢气量比人类目前每年制造的9000万吨多出几个数量级。关键问题是,有多少氢气能被困在地下并被经济地开发利用。
天然氢气的潜在储量和分布
4.1 全球储量估算
USGS的Ellis和同事Sarah Gelman使用一个简化的盒子模型对全球天然氢气储量进行了估算。该模型考虑了以下因素
不同类型的不透水岩层对氢气的封存能力
微生物对氢气的消耗作用
只有10%的氢气积聚可能被经济开发的假设(这一假设来自石油行业的经验)
模型结果显示,全球天然氢气储量可能在1万亿吨左右。即使在绿色能源转型引发氢气需求激增的情况下,这一储量也足以满足全球数千年的需求。
4.2 地质分布特征
天然氢气的形成和积累与特定的地质条件密切相关
(1) 克拉通区域这些古老的大陆核心区域往往含有富铁岩石,如绿岩带和条带状铁矿层,是潜在的氢气来源。
(2) 大洋中脊这里的蛇纹石化作用十分活跃,但由于位于深海,目前难以开发。
(3) 大陆断裂带深部断裂可能为氢气提供上升通道。
(4) 放射性元素富集区这些地区的放射分解作用可能产生额外的氢气。
4.3 浅层氢气渗漏现象
全球已记录了数百个氢气渗漏点。Zgonnik认为,一些地表特征如仙女圈、巫师环或水盆可能与氢气渗漏有关。这些圆形凹陷通常直径在几十到几百米不等。在美国东海岸的卡罗来纳湾地区,Zgonnik和同事发现这些凹陷正在渗漏氢气,且氢气浓度随深度增加而升高。
全球天然氢气勘探现状
5.1 澳大利亚
澳大利亚目前是天然氢气勘探最活跃的国家之一。2020年11月,Luke Titus在疫情封锁期间阅读了一份1944年的地质报告,发现袋鼠岛和约克半岛的两口老井分别产出了80%和70%的氢气。2021年2月,南澳大利亚州扩大了石油法规范围,允许氢气钻探。Titus迅速申请了接近8000平方公里的勘探权。
南澳大利亚州的地质条件非常有利于天然氢气的形成和积累。该地区被古老的高勒克拉通覆盖,丰富的铁矿和铀矿表明存在产氢所需的源岩。Titus计划在2023年进行空中地球物理勘探,以确定约克半岛疑似源岩的位置,预计深度约1.8 千米。2023年1月,他的公司在澳大利亚证券交易所首次公开募股,筹集了$2000万用于钻探探井。
5.2 西班牙
Helios Aragon公司计划在2024年底钻探欧洲第一口天然氢气井。该项目基于1963年一口含25%氢气的老井数据。公司认为,比利牛斯山脉核心的富铁海洋岩石是理想的氢气来源。约6500万年前,伊比利亚板块与法国碰撞时,这些海洋岩石被挤压并抬升。深部断裂可能为氢气提供了上升通道,最终积累在多孔砂岩层中,并被致密页岩层封盖。
然而,由于西班牙2021年的气候法案暂停了新的石油作业,Helios Aragon需要等待政府为氢气开发设立豁免条款才能进行商业化生产。
5.3 美国
尽管美国是页岩气革命的发源地,但在天然氢气勘探方面起步较晚。目前,USGS只有Ellis等少数几名员工专注于天然氢气研究。Ellis正在评估两个潜在的氢气富集区
(1) 东海岸近海10-20 千米处这里富铁幔源岩在海床下约10 千米。Ellis认为,这些岩石产生的氢气可能通过多孔沉积物向岸边迁移,这或许可以解释为什么卡罗来纳湾遍布整个东海岸。
(2) 中西部10亿年前,一条失败的火山裂谷几乎将北美大陆分裂。这一事件带来了接近地表的富铁幔源岩,形成了从明尼苏达州到堪萨斯州的带状分布。
2019年,Natural Hydrogen Energy公司在内布拉斯加州Geneva附近完成了一口3.4 千米深的氢气井。该井位于一个水盆(当地对仙女圈的称呼)中心,周围是玉米和大豆田。井的位置靠近深层断裂,可能与失败裂谷带的岩石相连。虽然公司未公布具体产量,但2022年4月,HyTerra公司收购了该项目的部分股权。HyTerra的介绍显示,井中气体燃烧时呈清澈火焰,这表明氢气含量很高。
天然氢气开发面临的挑战
尽管天然氢气展现出巨大潜力,但其开发仍面临诸多挑战
6.1 技术挑战
渗漏问题氢分子极小,容易穿过岩石和金属。需要开发新的钻探、储存和运输技术来防止渗漏。
勘探技术传统的油气勘探技术可能不适用于氢气。需要开发新的地球物理和地球化学方法来定位氢气储层。
生产技术如何高效、安全地从地下提取氢气仍需探索。
6.2 经济可行性
目前尚不清楚天然氢气的开采成本能否低于其他氢气生产方式。初步估计,马里Bourakébougou项目的开采成本可能低至 0.5美元kg,西班牙Helios Aragon项目的成本预计在0.5-0.7美元kg之间。相比之下,目前绿氢的生产成本约为 5美元kg,灰氢约为 2-2.5美元kg。
6.3 监管障碍
许多国家的法律法规尚未为天然氢气勘探开发做好准备。例如,西班牙2021年的气候法案暂停了新的石油作业,需要为氢气开发设立豁免条款。各国需要制定新的法规来规范天然氢气的勘探、开发和生产。
6.4 安全性
氢气易燃易爆,需要严格的安全措施。从勘探、生产到储存和运输的整个过程都需要制定严格的安全标准和操作规程。
6.5 环境影响
虽然氢气本身是清洁燃料,但其开发过程可能对地下水和地表生态系统造成影响。需要进行全面的环境影响评估。
6.6 基础设施建设
目前缺乏氢气运输和使用的基础设施。需要大规模投资建设氢气管道、储存设施和加氢站等。
天然氢气的潜在影响
如果天然氢气储量得到证实并成功开发,将对全球能源格局产生影响
7.1 清洁能源供应
天然氢气可能成为一种新的清洁能源来源,有助于减少温室气体排放。它可以直接用作燃料,也可以用于制造氨等化学品。
7.2 能源安全
可以减少对化石燃料的依赖,提高能源安全。特别是对于缺乏常规能源资源的国家,天然氢气可能成为重要的战略资源。
7.3 经济和地缘政治影响
新产业链可能催生新的勘探、开发、运输和利用产业链,创造就业机会。
传统能源行业转型石油和天然气公司可能将业务扩展到天然氢气领域。
区域经济发展拥有天然氢气资源的地区可能获得新的经济增长点。
国际关系天然氢气资源的分布可能与传统化石燃料不同,这可能改变全球能源格局。
结论
天然氢气的发现和潜在开发为全球能源转型和气候变化应对提供了新的可能性。虽然目前仍存在诸多技术、经济和监管方面的挑战,但天然氢气的潜力已经引起了科学界和产业界的广泛关注。
未来,需要进行更多的研究和勘探工作来评估天然氢气的真实潜力和经济可行性。同时,各国政府需要制定相应的法规和安全标准,为可能的大规模开发做好准备。产业界则需要加大投资力度,推动相关技术的创新和应用。
如果天然氢气的开发最终成功,它可能成为全球能源结构的重要组成部分。然而,我们也需要保持谨慎和理性,客观评估其潜力和风险,确保其开发过程的安全性和可持续性。
总的来说,天然氢气代表了一个需要深入探索的新领域。它的未来发展将取决于科技进步、政策支持和市场需求等多重因素的共同作用。无论如何,天然氢气的出现为人类应对能源和环境挑战提供了一个新的思路和可能性。
未来展望
9.1 短期内的发展
在未来几年内,我们可能会看到
更多的勘探活动,特别是在澳大利亚、西班牙和美国等国家。
首批天然氢气生产项目的试运行,可能在马里或澳大利亚。
相关法规和标准的初步制定。
9.2 中长期发展
随着研究和勘探的深入,天然氢气产业可能会逐步形成。这包括
勘探、开发、运输和利用等环节的技术进步。
部分地区开始规模化利用天然氢气,特别是在工业和交通领域。传统能源公司可能开始进入天然氢气市场。
9.3 关键研究方向
为了更好地理解和开发天然氢气资源,未来的研究可以集中在以下几个方向
深入研究天然氢气的形成机制,特别是在不同地质环境下的生成速率和累积过程。
开发更精确的全球和区域天然氢气资源评估模型。
研究氢气在地下的迁移和积累规律,以及与其他气体(如甲烷)的相互作用。
开发专门针对天然氢气的勘探和开发技术。
评估天然氢气开发对环境的潜在影响。
研究天然氢气产业的市场潜力和发展模式。
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