近日，澳大利亞HyTerra公司與美國(guó)Natural Hydrogen Energy簽署聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，將合作在美國(guó)內(nèi)布拉斯加州開發(fā)世界上第一口可商業(yè)化的天然氫井(hoty NE3)，以開發(fā)生產(chǎn)低成本且可持續(xù)的氫氣，助力全球脫碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

該項(xiàng)目位于美國(guó)內(nèi)布拉斯加州日內(nèi)瓦市附近，被稱為“日內(nèi)瓦項(xiàng)目”。目前，項(xiàng)目已經(jīng)完成了鉆井、完井和抽汲測(cè)試，計(jì)劃開始擴(kuò)展試井，測(cè)試將為確定可采資源的大小、范圍、氣體組成及其商業(yè)潛力提供關(guān)鍵信息。

天然氫的來(lái)源

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，全球已在海底和陸地上發(fā)現(xiàn)了近百處天然氫滲漏和逸出案例。水與巖石相互作用產(chǎn)生天然氫的機(jī)制已被科學(xué)界印證，非洲馬里更是打出純度為98%的“氫井”。許多記錄均顯示富含氫的氣體來(lái)自地殼深部和地幔巖石上部，主要是橄欖巖以及一些重大的深根斷層帶。同時(shí)，陸地上也有天然氫的溢出。科學(xué)家參照大洋中脊的地質(zhì)環(huán)境在陸地開展野外研究，并在阿曼、菲律賓、土耳其、日本、意大利、冰島、新西蘭、新喀里多尼亞等地相繼發(fā)現(xiàn)相關(guān)超鎂鐵質(zhì)巖氫逸出現(xiàn)象。

作為一種天然能源，經(jīng)研究，開采1公斤天然氫，成本比人工制氫低2-10倍，這將更易于實(shí)現(xiàn)商業(yè)化從而有望加速推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。國(guó)內(nèi)外在天然氫方面開展了一系列相關(guān)研究和初步示范應(yīng)用，并取得一定進(jìn)展。

國(guó)際方面

1987年, 在非洲馬里巴馬科北部地區(qū)鉆探尋找水資源時(shí), 因發(fā)生爆炸事故, 意外發(fā)現(xiàn)了純度為98%的氫氣。2012年，加拿大Petroma公司圍繞此處開始開采氫氣，2017-2018年間，Petroma公司在其開采區(qū)所完成的25口勘探井均發(fā)現(xiàn)了天然氫，后續(xù)并建立一座試點(diǎn)發(fā)電廠，該發(fā)電廠由井口采集的天然氫驅(qū)動(dòng)，為附近村落供電，證明天然氫在自然狀態(tài)下可以產(chǎn)生足夠規(guī)模且100%綠色電力為房屋供電。

美國(guó)CFA石油公司于1982年在北美裂谷開發(fā)Scott井, 發(fā)現(xiàn)了含量約為50%的氫氣。2013年, 美國(guó)成立了一家專門從事氫氣勘探的公司–天然氫能源公司(NH2E), 開始在許多國(guó)家尋找氫排放點(diǎn), 進(jìn)并行了數(shù)千次土壤氣體測(cè)試。2015年, 天然氫能源公司在美國(guó)各個(gè)州均發(fā)現(xiàn)了大量氫氣流, 估算氫氣流每天高達(dá)接近十噸，并于2019年底在堪薩斯州鉆了第一口天然氫井。

2019年10月，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心組織了一場(chǎng)天然氫研討會(huì)。會(huì)議對(duì)所有已知來(lái)源的天然氫進(jìn)行了重新評(píng)估，希望圍繞天然氫創(chuàng)建跨學(xué)科機(jī)制，打造從資源開發(fā)到聯(lián)合應(yīng)用的知識(shí)鏈。

2019年12月，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)能源研究與培訓(xùn)中心舉辦了題為“深度脫碳的能源解決方案-氫能”的研討會(huì)，會(huì)議圍繞“天然氫”進(jìn)行了重點(diǎn)研討，會(huì)議認(rèn)為天然氫存在研究和勘探價(jià)值，并可作為從化石燃料向可持續(xù)清潔能源過(guò)渡的重要途徑之一。

2021年, 南澳大利亞能源和礦產(chǎn)部在南澳大利亞部署天然氫項(xiàng)目, 并發(fā)布了氫勘探活動(dòng)許可申請(qǐng)書，澳大利亞金氫公司提供了在袋鼠島和約克半島南部發(fā)現(xiàn)純度高達(dá)90%的天然氫證據(jù)后, 獲得在許可范圍內(nèi)的天然氫勘探、評(píng)估和開發(fā)權(quán)。此外，澳大利亞地球科學(xué)局針對(duì)其本國(guó)從470口井中采集的約1,000個(gè)天然氫樣品進(jìn)行了氫氣分析和同位素分析, 對(duì)鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石的蛇紋石化產(chǎn)生的氫氣量進(jìn)行了估算, 得出陸上1公里深度內(nèi)的氫氣推斷資源量可達(dá)16萬(wàn)立方/年。

國(guó)內(nèi)方面

我國(guó)目前針對(duì)氫氣的研究大多是對(duì)把氫氣作為監(jiān)測(cè)自然環(huán)境和油氣資源方面的研究, 僅是一些零星和分散的研究。把天然氫作為能源而進(jìn)行的調(diào)查研究工作較少, 尚停留在實(shí)驗(yàn)室和文獻(xiàn)分析階段。

但我國(guó)油氣和礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)活動(dòng)已覆蓋大部分地區(qū), 已有學(xué)者在松遼盆地個(gè)別鉆井中發(fā)現(xiàn)氫氣含量高達(dá)85.54%; 在柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)2號(hào)井的巖屑罐頂氣中, 檢測(cè)到了含量最高可達(dá)99%的氫氣?？梢?jiàn), 在中國(guó)已有的油氣沉積盆地內(nèi)尋找天然氫潛力較大。

圖 | Ni2+促進(jìn)Fe(OH)2氧化產(chǎn)氫及其機(jī)理示意圖

此外，我國(guó)相關(guān)學(xué)者在巖石產(chǎn)天然氫的機(jī)理和產(chǎn)氫速控方面也取得了重要進(jìn)展。在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等資助下，中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院林璋教授團(tuán)隊(duì)從低溫(< 200℃)蛇紋巖化作用產(chǎn)氫的關(guān)鍵步驟Fe(OH)2氧化出發(fā)，發(fā)現(xiàn)共存的Ni2+能夠顯著提升Fe2+氧化過(guò)程的產(chǎn)氫速率。該研究以“被忽視的巖石天然產(chǎn)氫途徑—Ni2+催化低溫蛇紋巖化過(guò)程中Fe(OH)2氧化還原水”為題，于2021年9月14日發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》期刊上。

該發(fā)現(xiàn)為從巖石礦物中獲取氫能源的可能提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，將有望應(yīng)用于天然氫能源的勘探、開發(fā)和利用，從而推動(dòng)氫能源的規(guī)?；瘧?yīng)用，助力緩解因化石能源過(guò)渡使用造成的全球生態(tài)環(huán)境危機(jī)。