全球天然氢勘探与应用发展

随着全球对天然氢的研究与不断的勘探开发，天然氢作为一种自然生成的无碳低成本氢源，将可能为全球能源转型和应对气候变化提供新的战略契机。近日，澳大利亚Gold Hydrogen公司在获澳大利亚政府批准开展天然氢勘探后，在澳大利亚首口Ramsay 1探井地下240米深处，检测到浓度高达73.3%的天然氢。

今年5月，法国在东北部的洛林地区发现了天然氢，在1200米深度时天然氢浓度达20%，专家预计该地区天然氢总储量高达600万吨至2.5亿吨；9月，美国能源部宣布，将拨款2千万美元用于深岩中天然氢技术的开发。目前马里、澳大利亚、巴西、美国及欧洲部分国家已陆续开展了天然氢勘探开发工作。

天然氢成因及发现情况

天然氢是一种天然形成、广泛存在于地球深处的气态物质。公开资料显示，早在1888年，俄罗斯科学家德米特里·门捷列夫在对乌克兰煤矿渗漏气体进行分析时就发现了天然氢；随后，2012年在西非马里发现98%浓度的天然氢，加拿大Petroma公司在马里利用约50美分/公斤的天然氢进行发电，其成本远低于化石能源、电解水所制的氢气。由于来源广泛、成本低廉，许多学者及支持者又称其为“金氢”。

基于探测发展和已有研究，天然氢形成机理主要有三种，一是地壳辐射裂解水产生。该理论认为，地壳深层含有大量铀、钍等放射性元素, 这些元素放射性衰变时释放射线, 其能量将水分子分解产生氢气。二是水岩反应。包括蛇纹石化作用、水与岩石表面反应和矿物中羟基反应，其中蛇纹石化是研究最多、最常见的方式。三是“深源”成因。该理论认为氢气来自地球更深处的地幔或地核，氢气沿着板块边界和断层缝隙上升到地表形成。

天然氢赋存状态也包括三种，一是游离氢，指赋存在岩石(或地层)孔隙或裂隙能自由运移的氢气, 是天然氢的主要赋存形式之一，浓度介于2%-90%间；二是包裹体氢，多种研究发现，在多种类型岩石中, 氢气以包裹体形式或吸附形式被圈闭在岩石内，其浓度介于0.2-100%间；三是溶解氢，天然氢以溶解态气体存在于地下水中，浓度从微量至百分之几十不等。

过去100多年以来，全球在陆地、海洋中发现了近百处天然氢渗漏和逸出案例，且广泛分布于欧洲、美洲、亚洲、非洲、大洋洲等各个地区。

天然氢开发及应用情况

1987年, 在非洲马里巴马科北部地区钻探寻找水资源时, 意外发现纯度为98%的氢气。2012年，加拿大Petroma公司围绕此处开始开采氢气，2017-2018年间，Petroma公司在其完成的25口勘探井均发现了天然氢，并建立一座试点发电厂，通过井口采集天然氢作为燃料为附近村落供电，证明天然氢在自然状态下可产生足够规模且100％绿色电力为房屋供电。

美国CFA石油公司于1982年在北美裂谷开发Scott井, 发现含量约50%的氢气；2013年, 美国成立了天然氢能源公司(NH2E), 开始在许多国家寻找氢排放点，2015年,该公司在美国各个州均发现了大量氢气流, 经估算每天高达接近十吨，并于2019年底在堪萨斯州钻探了第一口天然氢井。2023年，美国HyTerra公司在堪萨斯州和内布拉斯加州的两个天然氢气项目已进入前期开发阶段。

2021年, 南澳大利亚能源和矿产部在南澳大利亚部署天然氢项目, 并发布了氢勘探活动许可申请书，澳大利亚金氢公司获得许可范围内的天然氢勘探、评估和开发权。此外，澳大利亚地球科学局针对本国470口井中采集的约1,000个天然氢样品进行了氢气分析及氢气量估算, 得出陆上1公里深度内氢气推断资源量达16万立方/年。

2020年，西班牙Helios公司与美国能源过渡基金公司，共同在西班牙萨拉戈萨的一口油井位于地表以下3680米深处发现大量氢气，并计划建立氢能中心，持续开展天然氢研究开发。

我国已有学者在松辽盆地个别钻井中发现氢气含量高达85.54%；在柴达木盆地三湖地区2号井的岩屑罐顶气中, 检测到了含量达99%的氢气。但整体上，我国针对天然氢的研究大多是把氢气作为监测自然环境和油气资源方面的研究, 将其作为能源的调查研究工作较少, 尚停留在实验室阶段。

有学者认为, 在中国的沉积盆地、大陆裂谷地区具备发育高含量氢气的地质条件, 可以把渤海湾盆地、渭河断陷作为天然氢勘探的突破区开展理论研究和调查工作。

天然氢发展展望

氢来源广泛、燃烧不排放二氧化碳，已逐渐成为全球加快能源革命和推进绿色低碳经济的重要途径之一。但当前，全球96%氢来自化石能源，制取过程产生大量碳排放；利用可再生能源电解水制氢在全球范围内尚处于前期和初步示范阶段，所产绿氢短期内无法满足大规模需求且经济性存在挑战。在未来能源发展中, 同步寻找更多量多、经济、可行的氢气来源很有必要,处于地下丰富的天然氢可能是一种较好的选择。

全球对天然氢的认识目前整体上处于早期阶段, 在机理研究、勘测、开发、应用等各方面均存在大量有待解决的问题。大规模勘测方面难点主要体现在以下几个方面：氢气无色、无味，且质量轻，溶解度小，极易挥发迁移；自然系统中，天然氢的产生和消耗紧密耦合，可能导致其浓度较低；早期研究均指向大规模天然氢封存于地球深处，常规地质勘探或化石能源开采尚未涉及，需要研究新型完井技术；氢在上述活动中气体样品的检测和技术分析过程缺位，有可能低估当前天然氢的逸出统计。

作为能源发展过程中的一个新领域，天然氢的可持续性和普遍性有待进一步深入研究，其从发现到研究、开发和最终规模化商业化应用也面临一系列的挑战和障碍。

但基于全球已普遍发现的天然氢资源，以及马里天然氢发电展示的工业化开发潜力，随着全球对天然氢的持续研究和项目示范，天然氢将可能颠覆当前单纯将氢视为“能源载体”的共识，加速其成为一个独立的能源品类；同时，如果天然氢持续性得到验证，将大幅度降低氢能源头成本，从而带动全产业降本增效，加速氢能规模化应用，有望成为氢能发展及推动碳减排的重要支柱。

来源：中国氢能联盟