當前，全球新一輪能源革命蓬勃興起，與經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展形成歷史交匯，國際產(chǎn)業(yè)格局正在重塑。氫既是不可或缺的工業(yè)原料，又是一種來源廣泛、清潔低碳、安全高效的燃料。在全球應(yīng)對氣候變化背景下，氫能逐步成為能源技術(shù)革命的重要方向，有望在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮核心作用。
迄今為止，全球已有20多個國家和地區(qū)發(fā)布氫能發(fā)展戰(zhàn)略或路線圖。但氫僅僅被視為一種能量載體（二次能源），尚不是一種大規(guī)模、穩(wěn)定的能源品類。尤其是業(yè)界對于氫的來源以及成本仍有不小的爭議：氫的制備96%來自化石能源，盡管成本較低但制取過程中會產(chǎn)生大量的碳排放；即使配合二氧化碳捕集與封存，也只是推遲了二氧化碳的排放。利用可再生能源電解水大規(guī)模生產(chǎn)氫也頗具挑戰(zhàn)性，既存在多道轉(zhuǎn)換帶來的高成本，同時儲存設(shè)施較大的依賴進一步降低了整體經(jīng)濟性。
1天然氫分布與勘測
自20世紀70年代以來，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)生天然氫的機制已被科學界印證。非洲馬里更是打出純度為98%的“氫井”。天然氫的勘探和研究正成為能源領(lǐng)域的一項重要課題，這有望重新塑造各方對氫的認知，加速氫能產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。
一個世紀以前，已經(jīng)有關(guān)于天然氣開采過程中伴生氫氣的觀測，但氫的含量變化很大（從 1ppm到10%不等）。直到20世紀70年代末在大洋中脊發(fā)現(xiàn)富含氫氣的流體之后，科學家才開始著手系統(tǒng)研究天然氫的起源，先后經(jīng)歷從海洋到陸地作業(yè)再到定點觀測三個階段，但對其形成機理遠不如甲烷（CH4）、氮氣（N2）和一氧化碳（CO）那樣認識全面。
1.1大洋中脊的含氫熱液
許多記錄均顯示富含氫的氣體來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。1997年，法國海洋開發(fā)所（IFREMER）在亞速爾群島以南水下2300m大西洋中脊發(fā)現(xiàn)富含氫氣的熱液。隨后數(shù)年，該團隊沿著大西洋中脊發(fā)現(xiàn)了7個天然氫逸出點。
大西洋中脊阿馬爾段的高濃度甲烷和天然氫的逸出表明天然氫的產(chǎn)生可能與橄欖巖的改變以及蛇紋石化有關(guān)。地幔衍生出的超鎂鐵質(zhì)巖（以橄欖石、輝石為主）是大洋中脊緩慢擴張的巖石圈的重要組成部分，這些巖石普遍呈蛇紋狀，多來自下洋殼和上地幔超基性巖中的蝕變過程，富含橄欖石和輝石礦物的巖石在低溫（＜300℃），高pH值（＞10）條件下發(fā)生水—巖反應(yīng)，導致橄欖石和輝石中的二價鐵被氧化成三價鐵，形成磁鐵礦（Fe3O4）和其他礦物，同時釋放分子氫（H2）。據(jù)估計，海洋地殼內(nèi)橄欖巖發(fā)生的熱液蛇紋石化產(chǎn)氫量在4000~10000t/a/km中脊之間。
橄欖巖的蛇紋石化是大洋中的重要地質(zhì)過程。與熱液系統(tǒng)相關(guān)的基性—超基性巖在大洋中非常普遍，蛇紋石化過程可能驅(qū)動熱液系統(tǒng)并產(chǎn)生氫氣，進而為微生物群落提供所需要的能量和初始物質(zhì)。這一過程被認為是生命起源最重要的變質(zhì)水化反應(yīng)。研究表明，不僅是海底熱液蝕變會產(chǎn)生氫氣，洋殼俯沖過程中地幔楔橄欖巖蛇紋石化也會生成氫氣，但由于洋殼玄武巖的加入，氫氣的產(chǎn)量會遠小于橄欖巖蝕變時的產(chǎn)量。
1.2陸地的天然氫逸出
蛇紋石化可以出現(xiàn)在不同的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中?？茖W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。來自阿曼北部塞馬伊勒納皮（SemailNappe）蛇綠巖的證據(jù)（1974—1981），也表明了天然氫可能形成于封閉的地下水環(huán)境中的低溫氧化還原反應(yīng)。山崎斷層、美國堪薩斯州章克申城均發(fā)現(xiàn)有天然氫的逸出。后者與阿曼地區(qū)蛇綠巖中逸出的氣體相似，低溫無機成因的合成氣主要由氮氣及占總體積24%~37%的氫氣組成。這一表觀與北美中部裂谷系有關(guān)，是研究美國中西部巖石類型及氫氣資源分布的重要線索。
根據(jù)測算，在大陸某些有條件的地區(qū)，天然氫的產(chǎn)生率可以達到0.72~4.54萬t/a。近10年來，對俄羅斯克拉通地形、美國大西洋沿岸平原、馬里陶德尼盆地等與超鎂鐵質(zhì)巖無關(guān)的天然氫逸出的觀察，進一步豐富了業(yè)界對地殼中天然氫產(chǎn)生機制的理解。尤其是在馬里巴馬科以北50km處的布爾克布古（Bourakebougou）附近發(fā)現(xiàn)了大量天然氫，并呈現(xiàn)出獨特、活躍的氫系統(tǒng)地質(zhì)特征，最淺的探井僅110m深。
在歐洲克拉通地形的俄羅斯部分，有數(shù)千個次循環(huán)結(jié)構(gòu)（較小形態(tài)的洼地），大小從直徑100m到幾公里不等。這些結(jié)構(gòu)的外圍通常被一圈與植被生長密切相關(guān)的白色土壤包圍，內(nèi)部通常與沼澤或湖泊相對應(yīng)。這些圓形洼地表面存在天然氫逸出，且土壤中從內(nèi)到外的氫分子濃度逐步降低。根據(jù)初步估算，每天從其中一個結(jié)構(gòu)表面溢出的氫氣約1.88到2.41t。美國北卡羅萊納州“卡羅萊納灣”形態(tài)洼地也存在天然氫逸出。該地形在大西洋沿岸的平原上很常見，土壤表面時常有氫分子逸出，尤其是海灣附近更為明顯。
測量結(jié)果表明，這一區(qū)域的天然氫源自從地殼內(nèi)部向表面擴散的流體通道，這種逸出與東歐克拉通觀察到噴發(fā)類似，但其生成、擴散的潛在機制以及對地質(zhì)的影響尚不清楚。巴西科學家嘗試在米納斯吉拉斯州圣弗朗西斯科盆地（SaoFranciscobasin）一直徑500m的圓形洼地持續(xù)監(jiān)測天然氫逸出。研究表明，天然氫的排放速率不是恒定的，每天逸出時間在6~12h不等，一般最熱時（中午）達到峰值約150ppm。
綜上，對于天然氫的觀察以及研究中，超鎂鐵質(zhì)巖的蛇紋石化是最多的。此外業(yè)界總結(jié)的天然氫的來源，還有放射性衰變引起的水輻射分離，類似的還有南非威特沃特斯蘭盆地和加拿大安大略省蒂明斯盆地的深礦區(qū)研究；以及某些發(fā)酵厭氧細菌和藍藻細菌。迄今為止，業(yè)界對于地殼中氫系統(tǒng)（產(chǎn)生、遷移、消耗和潛在積累）的認知非常有限。因為缺乏針對氫的實際指導方針，到目前為止，既缺乏勘探戰(zhàn)略，也沒有任何資源評估。
2天然氫的實踐應(yīng)用
2012年，在馬里巴馬科北部鉆井作業(yè)時意外發(fā)現(xiàn)了純度為98%的氫氣（其余2%為甲烷）。這一濃度的天然氫可能具有全球意義，有望為天然氫的工業(yè)化開發(fā)開辟新的前景。
隨后幾年，加拿大Petroma公司在馬里布爾克布古油田針對天然氫的鉆探取得了成功，所完成的25口勘探井均發(fā)現(xiàn)了天然氫。這為了解地殼天然氫系統(tǒng)提供了新的認識，也為后續(xù)建立一個可預測的富氫地質(zhì)模型，并用于在該區(qū)域或世界其他地方發(fā)現(xiàn)更多的天然氫提供了條件。
從科學角度看，馬里的天然氫與新元古代的沉積物有關(guān)。這一時期的地質(zhì)特點是地球溫度較低，大氣中氧氣比例減少，塑造了沉積巖中的還原環(huán)境。相對純凈的氫儲層還含有微量的甲烷、氮和氦。天然氫的生成被認為發(fā)生在比現(xiàn)有儲層更深的地方，并且很可能從基底發(fā)出，這已被大量放射性氦和氬的出現(xiàn)所證明。馬里的“氫井”強調(diào)了非化石的氫氣來源，并呈現(xiàn)出可持續(xù)能源的特征。
氫的積累可以解釋為大量的粒玄巖起到流體屏障的作用。然而，含水層似乎也起著滲透障礙的作用，因為在淺層的氫氣實際上不溶于水。多重疊加的灰質(zhì)基石和含水層，阻止了天然氫向上的運移和泄漏。最近在一些探井發(fā)現(xiàn)了“自流”水流機制，其中富含氫氣。這種“間歇泉”的動力可能源自地下超壓流體。這使得利用其發(fā)電成為可能，有助于天然氫成為一種可持續(xù)的能源。基于從井口附近獲得的初期大量氣體數(shù)據(jù)，可以確認存在至少5個含氫儲層，估計其覆蓋超過直徑8km的區(qū)域。地球化學研究表明，氫逸出的發(fā)生范圍最多可達150km。
為了進一步推動這項研究，Petroma公司建立了一個試點發(fā)電廠。該發(fā)電廠由井口采集的天然氫驅(qū)動，并為附近村落供電。這證明了天然氫在自然狀態(tài)下可以產(chǎn)生足夠規(guī)模且100％綠色的電力為房屋供電。根據(jù)初步測算，開采1kg天然氫的成本比當前人工制取氫氣的成本低2~10倍，這對未來的能源系統(tǒng)非常有吸引力。2019年，美國天然氫公司在內(nèi)布拉斯加州Fillmore縣完成第一口天然氫探井，并成功提取了氫氣和氦氣，再次為天然氫的進一步發(fā)展提供了支撐。
盡管人們早已認識到天然氫的存在，但直到最近才發(fā)現(xiàn)，它是潛在可擴展的清潔能源解決方案。但多項證據(jù)表明，它比以前想象的還要豐富。
2019年10月，法國國家科學研究中心組織了一場天然氫研討會。會議對所有已知來源的天然氫進行了重新評估。希望了解其能源潛力的研究者，制造商和決策者圍繞天然氫創(chuàng)建一個跨學科的機制，打造從資源開發(fā)到聯(lián)合應(yīng)用的知識鏈。2019年12月，美國俄亥俄州立大學能源研究與培訓中心舉辦了題為“深度脫碳的能源解決方案—氫能”的研討會，會議圍繞“天然氫”進行了重點研討，認為天然氫存在著研究和勘探價值，并代表了從化石燃料向可持續(xù)清潔能源過渡的途徑。
2019年，德國聯(lián)邦教育與研究部宣布投資3000萬歐元用于開展西非氫能“潛力”研究，為與非洲國家的合作鋪平道路。自2010年以來，該部一直在與貝寧、科特迪瓦、加納、馬里、尼日爾等國搭建科學合作機制。2019年11月，第一次研討會在加納首都阿克拉舉行，明確非洲的綠氫在當?shù)啬茉垂?yīng)和德國出口中可能發(fā)揮關(guān)鍵作用，氫能潛力圖將成為非洲工業(yè)和科學合作伙伴開展氫能先鋒示范項目的基礎(chǔ)。2020年2月，德國與尼日爾建立一個聯(lián)合項目，探索可再生氫的生產(chǎn)和進口貿(mào)易。
3天然氫的發(fā)展展望
脫碳加氫是貫穿整個人類的能源利用史的一條主線。天然氫作為一種自然生成的無碳氫源，這有可能為當前全球能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對氣候變化提供戰(zhàn)略契機。當前，99%的深層鉆探項目都是在與氫無關(guān)的情況下進行的油氣勘探和生產(chǎn)。通過匯總?cè)蛞寻l(fā)現(xiàn)的天然氫數(shù)據(jù)以及勘探活動，業(yè)界有望基于天然氫的“生產(chǎn)-遷移-積累”機制制定初步的勘探指南。作為一門新興科學，在完全理解“氫系統(tǒng)”之前，天然氫有可能重復石油和天然氣開采的歷程。石油和天然氣勘探始于19世紀中葉，并迅速取得了成功。但彼時人們對油氣的生成、烴源巖和烴類運移知之甚少。20世紀30年代，分析化學的興起使人們開始理解油氣的有機來源。直到20世紀60年代，業(yè)界才對油氣系統(tǒng)的功能（生成、運移、聚集、蝕變和滲漏）有了全面的認識。
一般來說，蛇綠巖序列是由橄欖巖、輝長巖、枕狀玄武巖和深海相沉積物組成。我國廣泛分布有不同時期的蛇綠巖，以東經(jīng)105°為界分為兩大成礦區(qū)域：西部以富鎂質(zhì)超基性巖、富鎂鐵質(zhì)超基性巖為成礦特征；東部以鐵質(zhì)、鈣鎂鐵質(zhì)超基性巖為主的成礦區(qū)域。此外，煤層氣中含氫氣也較為普遍，這與煤巖結(jié)構(gòu)及煤的演化歷程密切相關(guān)。在一定的變質(zhì)程度內(nèi)，變質(zhì)程度相對較高的煤巖氫氣含量也高。山西省沁水盆地南部同一煤層氣勘探區(qū)內(nèi)，煤自然釋放的氫氣與自然釋放的氦氣和甲烷之間存在規(guī)律性。
天然氫的可持續(xù)性和普遍性有待學界進一步深入研究，但這并不妨礙我們?nèi)嬲J識氫以及評估其對氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的影響。一方面是氫的科學定位。馬里的天然氫井初步展示了工業(yè)開發(fā)的潛力，這有可能顛覆當前單純將氫視為“能源載體”的共識，加速其成為一個獨立的能源品類。另一方面對氫的經(jīng)濟性有著重大意義。一旦天然氫的持續(xù)性得到進一步驗證，因其除了開采成本外，不需要任何能量來生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換，可能比當前任何制取方式都便宜，全產(chǎn)業(yè)鏈成本將從源頭得以降低。
天然氫的大規(guī)?？睖y尚存在四大難點：①氫氣無色、無味，且自身具有質(zhì)量輕，溶解度小，極易揮發(fā)遷移等特點；②在自然系統(tǒng)中，天然氫的產(chǎn)生和消耗是緊密耦合的，可能導致其濃度較低；③此前的研究均指向大規(guī)模的天然氫被封存在地球深處，常規(guī)地質(zhì)勘探或化石能源開采尚未涉及，需要研究新型完井技術(shù)；④氫在上述活動中氣體樣品的檢測和技術(shù)分析過程缺位，氣相色譜法常用氫氣作為載氣，且檢出限一般≥1ppm，僅有少數(shù)用于自然科學的分析儀器在其設(shè)計中包括氫傳感器，有可能低估當前天然氫的逸出統(tǒng)計。
于我國而言，系統(tǒng)開展上述天然氫潛力研究首先要加強對氫的整體認識，天然氫在研究地球生命演化、大氣環(huán)境變化、化石能源勘探以及地震預測方面均能提供有益的視角，且有待進一步協(xié)同；其次建議將天然氫納入氣體分析測量，以便提供常態(tài)化的氫評估，尤其是地質(zhì)研究和非常規(guī)油氣鉆探過程中。即使短期內(nèi)勘探和開采天然氫水平有限，通過其機理研究將拓展出新的零碳、低成本制氫方式。橄欖石的水化是一個無碳排放過程，具備以較低的原料成本提供大量氫氣供應(yīng)的潛力?？茖W家已經(jīng)開始在實驗室探索橄欖石蝕變產(chǎn)生氫氣的可能性，二氧化碳的加入甚至有助于增強制氫效率。此外，通過對天然氫系統(tǒng)的研究，尤其是儲氫層的探索，有助于拓展地下大規(guī)模、低成本儲氫設(shè)施，進一步降低分銷成本，加速氫能的規(guī)模化應(yīng)用。
