氫能經(jīng)濟(jì)和核心是氫氣的生產(chǎn)運(yùn)輸存儲(chǔ)和使用，其中氫氣生產(chǎn)是所有過程的啟動(dòng)點(diǎn)，也是制約整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。氫氣不屬于原始能源，需要利用其他能源生產(chǎn)，雖然現(xiàn)在研究認(rèn)為地球內(nèi)部存儲(chǔ)大量氫氣，給氫氣也屬于原始能源提供了可能。最近有學(xué)者提出更新的概念，可否學(xué)習(xí)自然界氫氣產(chǎn)生的邏輯，主動(dòng)初級(jí)，把地球深部作為氫氣人工生產(chǎn)的天然工廠，把生產(chǎn)氫氣的原料送到地下，在微生物的幫助下，利用天然地下礦產(chǎn)和熱能資源，為人類源源不斷的生產(chǎn)出氫氣。這種方法類似農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氫氣的耕種模式。雖然聽起來有點(diǎn)怪異，但也許是一個(gè)非常好的點(diǎn)子。
與“覓食”野生食物相比，在地殼內(nèi)探索商業(yè)上可行的天然氫積累是有希望的。然而，一個(gè)可能更有效的策略是在天然地下儲(chǔ)層中原位人工生產(chǎn)氫氣，類似于“農(nóng)業(yè)”。可以采用生物和非生物過程，將引入或本地成分、氣體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氫氣。通過研究天然產(chǎn)氫反應(yīng)，我們可以辨別優(yōu)化工程的途徑。有些反應(yīng)可能本質(zhì)上是緩慢的，允許采用“種子和葉子”方法，其中位點(diǎn)注入氣體、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和特定的細(xì)菌菌株，然后逐漸產(chǎn)生氫氣。然而，其他反應(yīng)可以提供更快的結(jié)果來收獲氫氣。
這一戰(zhàn)略的一個(gè)關(guān)鍵要素是我們對(duì)“X”成分的創(chuàng)新概念——從微量礦物質(zhì)到生物工程微生物。這些設(shè)計(jì)的組件增強(qiáng)了生物和/或非生物反應(yīng)，并被證明對(duì)加速氫氣生產(chǎn)至關(guān)重要。這一思路與我們的祖先從狩獵采集到農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變相提并論，我們提出了追求氫能的類似范式轉(zhuǎn)變。隨著我們向以氫為中心的能源格局過渡，地球化學(xué)、高級(jí)生物學(xué)和工程學(xué)的融合成為一盞明燈，標(biāo)志著通往可持續(xù)和變革性能源未來的途徑。
圖形摘要：氫能期貨——覓食還是耕種？
Aliakbar Hassanpouryouzband
Aliakbar Hassanpouryouzband 是愛丁堡大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院凈零技術(shù)校長(zhǎng)研究員（自 2023 年起）。他于 2019 年以博士后研究助理的身份開始了他的旅程。他的研究重點(diǎn)是CCUS和大規(guī)?？沙掷m(xù)能源的生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存，特別關(guān)注氫氣。他于2019年在赫瑞瓦特大學(xué)獲得博士學(xué)位，專攻低碳能源生產(chǎn)和二氧化碳你捕獲和儲(chǔ)存，其中一部分是在麻省理工學(xué)院的分子工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。Aliakbar于2013年和2015年分別獲得謝里夫理工大學(xué)石油工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。
馬克·威爾金森
Mark Wilkinson在英國(guó)牛津大學(xué)學(xué)習(xí)地質(zhì)學(xué)，隨后在英國(guó)萊斯特大學(xué)獲得沉積巖地球化學(xué)博士學(xué)位。他是英國(guó)愛丁堡大學(xué)地質(zhì)二氧化碳存放的高級(jí)講師。最近的論文側(cè)重于地質(zhì)碳儲(chǔ)存和地下儲(chǔ)氫，以實(shí)現(xiàn)能源和工業(yè)活動(dòng)的脫碳。馬克在愛丁堡大學(xué)共同創(chuàng)建了地球能源碩士學(xué)位，這在當(dāng)時(shí)是世界首創(chuàng)。他教授野外地質(zhì)學(xué)和與能源相關(guān)的應(yīng)用地質(zhì)學(xué)，并共同創(chuàng)建了一個(gè)關(guān)于CCS和氣候變化的大規(guī)模開放在線課程（MOOC）。
R.斯圖爾特·哈澤爾丁
R. Stuart Haszeldine是蘇格蘭愛丁堡大學(xué)碳捕集與封存教授。他是SCCS的主任。他在處理從碳?xì)浠衔镩_采到廢物處理的地下信息方面擁有 45 年的經(jīng)驗(yàn)。他的大學(xué)小組專注于 CO2儲(chǔ)存地質(zhì)學(xué)，特別強(qiáng)調(diào)天然類似物、遏制過程和地下壓力。斯圖爾特于 1999 年獲得蘇格蘭科學(xué)獎(jiǎng)，2003 年當(dāng)選為愛丁堡皇家學(xué)會(huì)院士，2012 年因?qū)夂蜃兓夹g(shù)的貢獻(xiàn)而被任命為大英帝國(guó)勛章，并于 2021 年被倫敦地質(zhì)學(xué)會(huì)授予能源獎(jiǎng)?wù)隆?/span>
Hydrogen energy futures – foraging or farming? - Chemical Society Reviews (RSC Publishing)
一、駕馭氫能格局
將全球變暖控制在工業(yè)化前水平2°C以內(nèi)的目標(biāo)必須得到強(qiáng)有力的短期行動(dòng)的支持。這一挑戰(zhàn)需要?jiǎng)?chuàng)新的能源戰(zhàn)略，氫在減少碳排放和推進(jìn)可持續(xù)能源實(shí)踐方面的關(guān)鍵作用變得顯而易見。我們之前的工作突出了氫氣作為應(yīng)對(duì)氣候變化的可行、大規(guī)模、低碳、可接受的成本解決方案，其在合適的地質(zhì)構(gòu)造中具有太瓦時(shí)規(guī)模儲(chǔ)存的潛力。然而，在將氫氣納入我們的能源系統(tǒng)方面仍然存在重大障礙。盡管在該領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究，但氫氣的可擴(kuò)展和低成本生產(chǎn)仍然是主要障礙，這凸顯了本文探索的創(chuàng)新方法的必要性。
氫能經(jīng)濟(jì)主要挑戰(zhàn)包括生產(chǎn)可再生氫氣所需的大量電力消耗，或通過化石碳?xì)浠衔锏闹卣c氫氣生產(chǎn)相關(guān)的二氧化碳排放。為了有效應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，必須采取雙重方法：改進(jìn)現(xiàn)有的制氫方法，同時(shí)探索制氫的創(chuàng)新技術(shù)。氫氣可以通過各種方法生產(chǎn)，每種方法都具有基于所采用工藝的不同“顏色”命名法（見圖 1)。目前，灰氫和黑氫占全球工程產(chǎn)量的 95% 以上。這些方法成本相對(duì)較低，但具有顯著的二氧化碳排放和最低限度的氣候效益。生產(chǎn)正逐漸轉(zhuǎn)向綠色氫氣，產(chǎn)量不斷提高，成本同時(shí)降低。這種轉(zhuǎn)變還可能帶來第二個(gè)好處——通過利用灰氫作為產(chǎn)生碳副產(chǎn)品的原料，減少灰氫生產(chǎn)產(chǎn)生的二氧化碳排放。因此，可以設(shè)想一個(gè)未來，我們的能源系統(tǒng)由綠色氫氣和碳減排灰氫生產(chǎn)補(bǔ)充，這些有希望的途徑不會(huì)導(dǎo)致全球進(jìn)一步變暖。制氫方法的拓寬標(biāo)志著朝著可持續(xù)能源的未來邁出了重要的一步，超越了傳統(tǒng)方法。然而，這種有前途的轉(zhuǎn)型需要大規(guī)模、低成本、可靠性和時(shí)間的改進(jìn)流程的仔細(xì)規(guī)劃。
圖1 制氫技術(shù)的分類：該示意圖提供了制氫方法的系統(tǒng)概述，每種方法都根據(jù)來源和工藝以特定的顏色進(jìn)行區(qū)分。這些顏色名稱的使用反映了該領(lǐng)域不斷發(fā)展的分類，總結(jié)了與每條生產(chǎn)路線相關(guān)的技術(shù)和環(huán)境影響。隨著對(duì)可持續(xù)氫氣的追求日益深入，清楚地了解這些不同的生產(chǎn)途徑對(duì)于研究和應(yīng)用都至關(guān)重要。
當(dāng)我們考慮制氫技術(shù)進(jìn)步時(shí)，認(rèn)識(shí)到政策框架的關(guān)鍵作用同樣重要。這些政策有助于塑造氫經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和引導(dǎo)向更可持續(xù)的做法過渡。歐洲在實(shí)施碳稅方面的開創(chuàng)性努力為綠色氫提供經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的潛力，因?yàn)槌杀臼菍?duì)化石碳的排放征收的。然而，仔細(xì)審查這些策略至關(guān)重要。雖然它們可能會(huì)激勵(lì)市場(chǎng)轉(zhuǎn)向更環(huán)保的替代品，但它們本質(zhì)上并不能提高能源效率。綠色氫氣生產(chǎn)仍然是能源密集型的，嚴(yán)重依賴可再生電力，否則可再生電力可能直接供應(yīng)給電網(wǎng)。一個(gè)值得注意的例外可能是利用多余的可再生電力，否則這些電力在與天氣相關(guān)的生產(chǎn)過?；蛴捎诠こ讨袛鄬?dǎo)致的輸電缺口時(shí)會(huì)被浪費(fèi)。在這種情況下，盡管效率較低，但生產(chǎn)綠色氫氣可能比溢出的電力或國(guó)家能源網(wǎng)絡(luò)的零輸出更有利。9然而，這種情況代表了一種小眾情景，不太可能持續(xù)到未來幾十年
二、天然氫氣的勘探（覓食）
必須降低制氫成本。但是，補(bǔ)救措施是否已經(jīng)為人所知，并且隱藏在眾目睽睽之下？最近對(duì)全球含氫天然氣的調(diào)查列出了數(shù)百個(gè)已知的天然氫氣站點(diǎn)，并指出由于采用的方法不當(dāng)，許多天然氣分析都未能檢測(cè)到氫氣。據(jù)報(bào)道，最高的天然氫濃度為99%（阿曼）和超過97%（馬里）。然而不幸的是，大部分天然氫氣的濃度非常低，許多報(bào)告的數(shù)字都在 10% 左右。此外，這種資源必須存在足夠大的數(shù)量才能被利用。天然富氫氣體滲漏的流速通常較低。雖然分散的滲漏可能數(shù)量很大，但可能無法進(jìn)行商業(yè)開采。例如，烏克蘭克里沃羅格的氫通量估計(jì)為每天12萬立方米，但是每年每平方米只有區(qū)區(qū)10-120升，無法進(jìn)行商業(yè)開發(fā)。已知高濃度、高體積氫氣站點(diǎn)的數(shù)量非常少，Zgonnik （2020）全球僅列出了16個(gè)氫氣含量超過10%的碳?xì)浠衔锾?，與數(shù)千個(gè)油氣田相比顯得非常少。高濃度、高容量天然氫氣站點(diǎn)的可用性有限，這帶來了重大挑戰(zhàn)，對(duì)其他碳?xì)浠衔锏奶幚硪彩欠浅４蟮睦щy。
三、天然氫能工程（農(nóng)業(yè)）
氫氣的自然產(chǎn)量很大，估計(jì)全球每年的產(chǎn)量約為 23 Tg，但具有高度的不確定性。這種自然資源的真實(shí)范圍仍有待徹底勘探繪制，但初步調(diào)查已經(jīng)凸顯了繼續(xù)勘探的重要性。如果確定了大量的儲(chǔ)量，它們可以成為一座有價(jià)值的橋梁，甚至能提供數(shù)十年的能源。然而，這種潛在的好處應(yīng)該與優(yōu)先考慮和開發(fā)可持續(xù)和可再生的制氫方法的當(dāng)務(wù)之急一起看待。這確保了我們有一個(gè)強(qiáng)有力的長(zhǎng)期能源戰(zhàn)略。實(shí)現(xiàn)這種變革性轉(zhuǎn)變需要戰(zhàn)略遠(yuǎn)見、創(chuàng)新思維和時(shí)間。這導(dǎo)致我們提出，可以設(shè)計(jì)和開發(fā)地下地質(zhì)構(gòu)造以生產(chǎn)人工制氫。利用這些自然資源庫可以大大抵消與當(dāng)前生產(chǎn)方法相關(guān)的高成本，為更可持續(xù)的能源未來鋪平道路。
理解這種轉(zhuǎn)變可以通過與歷史先例相提并論來獲得幫助，特別是人類文化從狩獵采集到農(nóng)業(yè)的演變；或者最近從野生鮭魚的游牧捕撈過渡到人工養(yǎng)殖鮭魚，提供額外的營(yíng)養(yǎng)。正如我們的祖先在狩獵采集階段辨別出哪些野草是有營(yíng)養(yǎng)的一樣，我們發(fā)現(xiàn)自己處于與天然氫氣類似的十字路口。這種對(duì)天然氫儲(chǔ)量的追求反映了古老的“狩獵”行為——尋找大自然自發(fā)提供的東西。在人類歷史上，從游牧狩獵到定居農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變是一個(gè)開創(chuàng)性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，突顯了人類的創(chuàng)新傾向。幾千年前，我們不再只是收獲大自然自發(fā)提供的東西，而是開始種植、培育和收獲。這一旅程以從精煉灌溉技術(shù)到引入肥料和轉(zhuǎn)基因作物的創(chuàng)新為標(biāo)志，講述了理解自然和利用其潛力的深刻共生關(guān)系。今天，由于我們的目標(biāo)是利用地下的恩賜來生產(chǎn)氫氣，因此對(duì)大自然的饋贈(zèng)和科學(xué)獨(dú)創(chuàng)性的類似綜合至關(guān)重要。
圖2（i）顯示，地殼內(nèi)涉及各種制氫過程，包括礦物、流體和氣體。其中一些過程可以在工程場(chǎng)景中利用，即鉆入合適的地殼巖石，注入額外的原料，然后進(jìn)行制氫反應(yīng)。在高壓和高溫條件下進(jìn)行詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)研究（模擬發(fā)生這些反應(yīng)的地下環(huán)境）至關(guān)重要。這些研究不僅闡明了這些反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，而且還使我們能夠確定潛在的瓶頸和增強(qiáng)機(jī)會(huì)。通過地球化學(xué)分析的結(jié)合，我們可以掌握微量元素和礦物質(zhì)如何影響反應(yīng)途徑。通過了解這些細(xì)微差別，引入或修改特定化合物以優(yōu)化自然過程可能是可行的。此外，還有可能使用碳?xì)浠衔飪?chǔ)層進(jìn)行原位制氫。在這些地下地層中，二氧化碳在此過程中產(chǎn)生的物質(zhì)可能會(huì)自然地保持滯留狀態(tài)，從而最大限度地減少對(duì)環(huán)境的影響。一個(gè)典型的例子是原位碳?xì)浠衔餁饣?，其中受控的熱或氧化條件可以促進(jìn)有針對(duì)性的地下反應(yīng)；然而，有效管理這些深層儲(chǔ)層內(nèi)的熱量，特別是解決潛在的熱擴(kuò)散問題，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前，原位制氫背景下的熱分散問題仍未得到充分探索。目前的文獻(xiàn)對(duì)有效管理這些挑戰(zhàn)提供了有限的見解，表明顯然需要在這一領(lǐng)域進(jìn)行更有針對(duì)性的研究。
圖2 自然界中制氫途徑的綜合探索：（i）該爆裂圖說明了地下發(fā)生的導(dǎo)致制氫的各種反應(yīng)。它們的范圍從蛇紋石化、高溫玄武巖蝕變和地殼風(fēng)化等非生物反應(yīng)到發(fā)酵和固氮等微生物過程。這些過程的復(fù)雜性和豐富性凸顯了地下作為可持續(xù)氫氣重要來源的潛力。（ii） 參與制氫的各種微生物群落，從地表環(huán)境到地下環(huán)境。該圖表系統(tǒng)地對(duì)原核生物（如古細(xì)菌和細(xì)菌）進(jìn)行了分類，并進(jìn)一步詳細(xì)介紹了光養(yǎng)和異養(yǎng)細(xì)菌類型及其特定屬性。真核生物部分聚焦于藻類。總之，這張圖表強(qiáng)調(diào)了微生物參與不同生態(tài)位制氫的廣度和深度。
與工業(yè)生產(chǎn)相比，自然制氫速度較慢，例如，阿曼的最低估計(jì)費(fèi)率范圍為每天每平方公里73 至 1300 立方米。我們是否可以增加這一比例，或者是否有必要注入原料并放置數(shù)年或數(shù)十年，采用“播種和離開”的方法？盡管這與目前的工業(yè)氣體生產(chǎn)方法截然不同，但它與商業(yè)林業(yè)并沒有太大區(qū)別，例如，在商業(yè)林業(yè)中，種植和收獲之間的間隔是以幾十年為單位的。即使在石油行業(yè)，一個(gè)大型油田也可能需要數(shù)年時(shí)間才能收回投資成本才能獲得凈利潤(rùn)，因此回報(bào)的延遲并非史無前例。
四、微生物和催化提高氫氣生產(chǎn)率（X制氫）
除此之外，產(chǎn)氫微生物世界還包含從地表到地下的各種生物。圖2（ii）中表面微生物的存在描繪了完整的光譜，強(qiáng)調(diào)了微生物多樣性的豐富性及其在制氫方面的潛力。在這種背景下出現(xiàn)的非生物反應(yīng)和上面提到的非生物反應(yīng)是一個(gè)新概念，如圖 3 所示：“X”到氫的方法。這種創(chuàng)新方法涉及將組件直接引入地下以提高制氫率?！癤”因子包括一系列潛在的原料或催化劑，從充當(dāng)反應(yīng)介質(zhì)的特定微量礦物質(zhì)到為地下制氫而優(yōu)化的微生物菌株，都可以有所不同。在這種范式中，即使引入水也可以啟動(dòng)所需的反應(yīng)。這種方法的可行性和效率取決于對(duì)地下地球化學(xué)和動(dòng)力學(xué)的全面了解。影響反應(yīng)途徑的壓力、溫度和地質(zhì)成分等變量在確定“X”組分的最佳選擇和應(yīng)用方面至關(guān)重要。通過戰(zhàn)略性地調(diào)整“X”的性質(zhì)和濃度，有可能優(yōu)化氫氣的生產(chǎn)速度和產(chǎn)量。此外，在“X到氫”的背景下，考慮地球化學(xué)原理和微生物工程的相互作用至關(guān)重要。雖然“X”包含多種成分，但對(duì)地球化學(xué)條件的戰(zhàn)略性操縱可以顯著提高微生物過程在制氫中的效率。這種方法展示了地球化學(xué)與合成生物學(xué)的創(chuàng)新融合，為優(yōu)化氫氣生產(chǎn)提供了新的途徑。雖然這種方法還處于起步階段，但它將自然界的地球化學(xué)復(fù)雜性與人類工程解決方案進(jìn)行了雄心勃勃的融合。需要更深入的宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)探索來揭示合適微生物群落的遺傳復(fù)雜性，從而可能提供對(duì)可以利用或增強(qiáng)的途徑的見解。合成生物學(xué)領(lǐng)域提供了誘人的可能性。想象一下，微生物被設(shè)計(jì)成優(yōu)化特定的代謝途徑以產(chǎn)生氫氣，甚至在以前被認(rèn)為是非生產(chǎn)性的條件下茁壯成長(zhǎng)。但這些微生物也可能被設(shè)計(jì)成在大氣中的氧氣中無法存活——以防泄漏。探索微生物電解等技術(shù)以增加微生物氫氣的產(chǎn)生同樣重要。此外，地球化學(xué)家、微生物學(xué)家和工程師之間的跨學(xué)科合作可以促進(jìn)創(chuàng)新的解決方案，從開發(fā)模擬地下條件的生物反應(yīng)器到為產(chǎn)生的氫氣設(shè)計(jì)新的儲(chǔ)存和輸送方法。所有這些活動(dòng)都需要并行開展，以幫助推遲或幫助解決氣候緊急情況。我們的世界需要在各個(gè)方面采取氣候行動(dòng)——一切、任何地方、同時(shí)采取。
圖3 原料“X”到氫氣的地下轉(zhuǎn)化機(jī)制：該圖顯示了在地下儲(chǔ)層環(huán)境中利用新型“X”成分產(chǎn)生氫氣的過程。原料“X”可以是特定材料、微生物實(shí)體或催化劑的復(fù)合物。這些元素的相互作用有可能優(yōu)化對(duì)制氫至關(guān)重要的原位反應(yīng)。
五、未來愿景
我們已準(zhǔn)備好制定可持續(xù)的氫燃料發(fā)展軌跡。在現(xiàn)代對(duì)可持續(xù)氫源的追求中，研究地下地質(zhì)構(gòu)造以生產(chǎn)氫氣的重要性變得至關(guān)重要。這些地下地層不僅提供了替代能源；它們代表了科學(xué)前沿，充滿了高級(jí)調(diào)查和發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。將地球化學(xué)原理與尖端微生物工程相結(jié)合，可能會(huì)改變我們的能源方法，促進(jìn)可持續(xù)性。潛在的創(chuàng)新在于陸地地層的深處和錯(cuò)綜復(fù)雜的微生物途徑。通過倡導(dǎo)跨學(xué)科合作，我們將自己定位在變革性能源時(shí)代的邊緣，將大自然的財(cái)富與科學(xué)創(chuàng)新相協(xié)調(diào)。
