编者按：在全球能源转型的浪潮中，一种曾被忽视的天然资源正悄然进入视野——天然氢。与工业制氢不同，它由地球内部的地质反应自然形成，几乎零碳排、零能耗生产，只需开采成本。随着氢能需求预计从2022年的9000万吨激增至205年的5亿吨，这种“白色黄金”能否成为清洁能源的新支柱？本文深入剖析天然氢的形成机制、全球勘探热点及技术挑战，揭示其作为补充性能源的巨大潜力与现实局限。未来能源版图，或许正因地下涌动的氢气而改写。
在寻找更多、更新、更清洁的能源过程中，一种尚未被充分开发的资源正在浮现：天然氢。
与工业流程制造的氢气不同，天然氢通过地壳内自然发生的地质反应形成，这意味着它的制造本身无需成本——尽管开采需要一定投入——且不会排放任何二氧化碳或其他人为污染物。
目前，氢气主要用于石油精炼、化肥氨生产以及制造甲醇（甲醇既可作为燃料，也是塑料的原料）。新兴技术正使氢气成为汽车、飞机、船舶和工厂的可行燃料。全球氢气需求预计将从2022年的约9000万公吨增长到2050年的超过5亿公吨。其中一部分供应，也可能来自大自然本身。
为了区分不同来源的氢气，像我这样的能源研究人员以及整个能源行业使用一系列颜色标签。一般来说，“灰氢”和“蓝氢”通过燃烧化石燃料制取，其中蓝氢采用了捕获过程中产生的二氧化碳的技术以减少排放。“绿氢”来自可再生能源驱动的电解过程，利用电力将水分解为氢气和氧气。“白氢”或“金氢”则天然存在于地下，只需经过最少的处理便可直接提取。
天然氢源自多种地质过程。研究最深入的机制是蛇纹石化，即水与富含铁的岩石（称为超基性岩）相互作用，释放出氢气。
蛇纹石化发生在世界各地的不同环境中，包括大洋中脊和大陆构造，例如北美的中大陆裂谷带——这是一条主要由火成岩构成、夹杂部分沉积岩的带状区域，从明尼苏达州穿过苏必利尔湖地区向南延伸至堪萨斯州。
另一个过程，热成因氢的形成，发生在深层沉积盆地中，当有机物质在约华氏480至930度（摄氏250至500度）的高温下分解时产生。这些反应也可能在产生氢气的同时，伴生其他气体，如甲烷或氮气。
由于这些过程历经数百万年，使用天然氢通常比人造方法（如电解）消耗的能量少得多。电解每生产一公斤氢气大约消耗50千瓦时的电力——这足以为一个普通家庭供电一两天，并且超过了那一公斤氢气所能提供的能量。天然氢是已经制造好的——只需要去收集。
研究人员和勘探公司正在开发类似于油气勘探的方法，以定位潜在的氢气聚集区。他们主要关注三种地质构造：
-- 集中渗漏型：氢气通过裂缝和断层自然渗出。它倾向于到达地表并迅速扩散，使得大规模捕获变得困难。
-- 煤层型：氢气附着在煤层上，具有更高的潜在密度，但提取难度大。氢气必须先与煤分离，然后通过致密的岩层流向提取点。
-- 储层-圈闭-盖层系统：类似于在地下封存天然气的岩层构造，被认为是最有商业生产前景的类型，因为它们可以将大量氢气集中在定义明确、可钻探的结构中。然而，这在实践中很大程度上尚未得到证实：基本理念已确立，地质学家对这些构造可能出现的位置有较好的认识，但他们仍然缺乏关于这些构造实际含有多少氢气以及提取难易程度的详细数据。
美国地质调查局估计，全球地下可能蕴藏着超过5万亿公吨的地质氢。但据估计，无论在技术上还是合理成本上，其中只有一小部分是可开采的。
然而，即使只开采总量的2%，也将超过地球上所有已探明的天然气储量，并且足以满足未来200年的预计需求，即使考虑到消费增长。
所有这些储备都是经过数十亿年积累起来的。地球每年自然产生1500万至3100万公吨的天然氢——不到2050年预计每年所需量的1%。但其中只有一小部分可能被有效捕获。
因此，地质氢最好被视为一种非常庞大但最终有限的低碳能源，可以极大地补充（但不能取代）其他能源，包括各种制氢方法。
目前，只有马里布拉克布古村的一个氢气田在进行商业化的天然氢生产，每年供应数十吨氢气为该村庄供电。
然而，根据雷斯塔能源公司及相关政府和研究实验室的报告，勘探天然氢的公司数量已从2020年的约10家迅速增加到2023年底的约40家。
除了马里的那个气田，勘探活动集中在美国、澳大利亚、加拿大和几个欧洲国家。
在美国，HyTerra公司在堪萨斯州的尼马哈项目已确认地下氢气浓度超过90%，氦气浓度为3%。氢气浓度越高，回收效率越高，成本效益也越好。HyTerra公司还在中西部和落基山地区的其他地方进行勘探。
将地质氢转化为商业能源面临着严峻的科学和技术挑战。由于氢分子尺寸小且易与岩石中的其他元素发生反应，探测和测量地下氢气十分困难。
而且，如果发现的是低浓度氢气与大量其他气体的混合物，那么在使用前分离和提纯氢气的成本可能会很高，甚至高到令人望而却步。
天然氢的经济前景在于其简单性。
由于地质过程已经完成了生产工作，早期估算表明，其提取成本可能仅为其他传统制氢技术生产成本的十分之一——甚至可能更低。
但这些数字是基于目前发现的少量氢气得出的，可能无法代表未来大规模生产的表现。要生产出满足商业需求的足够氢气，需要发现大型、高质量的聚集区。
正如一个领先的研究小组所指出的：“这不是一场淘金热。”这是一次基于科学证据的谨慎探索，可能最终带来一种丰富的、无碳的、持续的能源，以补充其他可再生能源。
Promise Longe是堪萨斯大学化学与石油工程专业的博士候选人。
