全球天然氢勘探开发利用进展分析

氢是一种清洁、高效、零碳的能源载体，作为连接气、电、热等不同能源形式的桥梁，将在未来能源体系中发挥重要作用，尤其是用于难以通过电力脱碳的行业。2022年全球氢气产量达到9500万吨/年，低碳氢仅占0.7%[1]，无法满足能源系统向清洁转型的需求。尽管全球低碳制氢项目正呈现井喷式增长，即使所有已宣布项目均能成功建设，到2030年全球低碳氢产能也仅达到4500万吨/年[2]，仍存在大量缺口。近年来，天然氢作为一种新的清洁氢气来源逐渐受到关注。天然氢又被称为“地质氢”、“金氢”或“白氢”，是地下地质作用产生的可再生氢气，其生产成本低，储量巨大。自天然氢在非洲马里被成功开发以来，美、加、澳等国纷纷加强对天然氢的勘探和开发利用。2023年，天然氢首次被国际能源署(IEA)写入氢能年度旗舰报告《全球氢能回顾》，并入选Science杂志年度十大突破[3]。本文系统梳理总结了全球天然氢勘探开发进展，供决策参考。

一、天然氢的成因及资源潜力

天然氢一直长期被忽视。由于自然界中的游离氢极为少见，传统观念认为，氢气难以在地下存在，或是储量过少而不具备勘探价值，气体采样和检测往往缺乏对氢气的检测。现代油气开采通常在富含有机物的沉积岩中作业，这些岩层中的氢含量稀缺，因此也很少检测到氢气。原苏联研究人员认为天然氢是油气的主要成因机制，在多地开展检测，发现了大量高含量天然氢的存在。目前，世界各地已记录了数百起天然氢泄漏现象。研究显示，美国东海岸卡罗莱纳湾的圆形凹陷可能是地质氢从深处迁移到地表的流动路径表现[4]，澳大利亚西部北珀斯盆地的“仙女圈”地貌可能是天然氢泄漏抑制了地面植被生长导致[5]。2012年，加拿大Hydroma公司对西非地区马里Bourakébougou村的一口因失火而封闭的干井进行了检测，发现其中氢气含量高达98%。该公司基于该井建设了全球首个天然氢发电商业电站，引起了人们的广泛关注。尤其是2018年针对马里天然氢井开发的研究在International Journal of Hydrogen Energy杂志发表[6]以来，天然氢相关研究论文数量大幅增加，对于天然氢的成因、分布环境、资源潜力等均进行了研究。

对于天然氢的形成机制尚未有定论，当前研究提出的机制有多种(如图1[7])，其中有3种被认为是主要成因：①水的辐解，岩石中的微量放射性元素辐射使水分解产生氢气，该过程极为缓慢，在一些古老的岩石中最有可能发生;②蛇纹石化，在高温高压下，水与富铁岩石反应产生氢气，这种快速且可再生的反应称为蛇纹石化，可能是地质氢最主要的成因;③地球深部脱气，指地核或地幔存储的氢气沿着板块边界和断层上升流出，由于勘探技术的限制，目前还无法直接观测到地球深部中氢的存在，因此该说法还存在争议。

图1 天然氢的生成机制

全球已发现的天然氢在分布上相对广泛，其中体积分数大于10%的高含量氢主要发育于蛇绿岩带、裂谷和前寒武系富铁地层这3种地质环境中[8]。蛇绿岩带位于汇聚板块边缘，主要由火山岩和沉积岩组成，其相关天然氢都具有较高含量显示。阿曼是发现蛇绿岩带天然氢最多的国家，多数样品氢体积分数超过60%，最高达到99%;土耳其、菲律宾、美国等国也有发现。裂谷天然氢主要发现于洋中脊区域，大西洋中脊彩虹热液田(Rainbow hydrothermal field)中的氢气体积分数可超过40%，目前对该环境的天然氢检测较少，仅在美国爱荷华州西北地区有所发现。许多已发现的天然氢都与前寒武系富铁地层有关，在基底、岩石包裹体、沉积岩中均检测到高含量天然氢，是全球天然氢的重要产层。

在资源潜力方面，自20世纪80年代起，相继有学者对自然界中的天然氢生成量进行估算，估算值呈数量级增加。结合地球形成以来的巨大氢消耗和产生量，地下存在大型氢气储层与氢源的可能性很高。美国地质调查局(USGS)基于石油行业的简单模型，开发了一个全球地质氢资源预测评估模型，该模型考虑了非渗透岩石圈闭、微生物破坏影响，以及基于石油行业经验的假设(即只有10%的天然氢储量能够被经济地开采)，显示天然氢资源潜力在万亿吨量级[9]。其中大部分资源可能过于分散，无法被经济地开采，但只要有2%或3%的天然氢能够被开采，就可满足数百年的需求(以5亿吨/年计)[10]。目前，USGS正致力于绘制全球首个天然氢资源分布图。

二、全球天然氢勘探开发现状

实现碳中和目标要求氢能的利用要基于清洁制氢，但当前可再生能源生产的“绿氢”成本约为5美元/千克，是主流“灰氢”(即化石燃料来源如甲烷蒸汽重整制氢)成本的2倍多。美国能源部(DOE)推出“氢能攻关计划”，提出了全球最具雄心的绿氢降本目标—到2030年降至1美元/千克。天然氢的生产成本可比上述成本更低，得益于深度较浅和具有较高氢气纯度，马里的天然氢生产成本可能低至0.5美元/千克。2021年的全球首届天然氢大会H-Nat上，与会专家表示天然氢的成本在0.5~1美元/千克[11]。

天然氢的成功开发促使许多国家开展布局。美国石油地质学家协会在2021年成立了首个天然氢委员会。美国地质调查局(USGS)与美国科罗拉多矿业学院在2023年9月启动了一个联合工业项目，合作单位包括英国石油公司(BP)、雪佛龙等大型石油公司，旨在研究地质氢的资源潜力并开发勘探技术，确定地质氢的储藏地[12]。美国能源部先进能源研究计划署(ARPA-E)也在9月宣布投入2000万美元启动“地质氢”计划[13]，将通过变革性技术开发和示范，以最低经济成本和环境影响从地质层中产氢，重点资助2个主题：①通过受激发的矿物学过程生产地质氢，加深对产氢地球化学反应及提高或控制产氢速率的认知;②氢储层管理地下工程，重点关注与地质氢提取相关的技术，包括地下输运方法、地下工程改进、生产和提取过程中的储层监测和/或建模，以及评估氢储层开发风险。

南澳大利亚于2021年2月将氢气纳入《2000年石油和地热能法案》的“受管制物质”范围，使天然氢勘探许可得以授权，至今已颁发了40多个勘探天然氢矿床的许可证[14]。该法案现已修订为《2023年能源资源法案》，将绿氢生产纳入其中。澳大利亚地球科学局已经完成了对澳大利亚地下盐矿的审查，以确定地下储氢的潜在地点，该项工作还将为天然氢提供勘探信息。

天然氢的勘探开发尚处于早期阶段，以小型公司为主导。根据IEA的统计，从事天然氢勘探的公司已经从2020年的仅有3家，发展到2023年中的40家。2023年4月，西班牙勘探公司Helios Aragón在西班牙北部比利牛斯山脉山麓发现了一个储量超过100万吨的天然氢储层，并于6月启动了欧洲首个天然氢项目Monzón，计划在2024年开始钻探第一口井，2028年实现商业化生产[15]。该公司估计，天然氢的生产成本可以达到0.75欧元/公斤。法国能源公司(FDE)与洛林大学、法国国家科学研究中心(CNRS)合作开展Regalor研究项目，2023年5月在法国东部的一口钻探井中发现大量天然氢[16]，地下1093米深石炭纪岩层中的流体含有15%的氢，并估计地下3000米处氢气浓度为98%，预计将是迄今发先的最大天然氢储库之一。美国Natural Hydrogen Energy公司于2019年在美国内布拉斯加州钻探了全球第一口氢气勘探井Hoarty NE3，并与澳大利亚HyTerra公司在2023年完成扩展测试，成功钻取了氢气流。美国天然氢初创公司Koloma于7月获得了比尔·盖茨Breakthrough Energy Ventures等投资者的9100万美元风险投资，该公司创始人拥有16项氢气提取相关专利，包括使用人工智能辅助激光成像和卫星来评估天然氢的存储地[17]。澳大利亚Gold Hydrogen公司在2023年11月宣布在位于南澳大利亚约克半岛的拉姆齐1号(Ramsay 1)探井的240米深处发现含量高达73.3%的天然氢，并在1005米处发现了对于氢从深处来源迁移至浅层区域至关重要的裂隙系统[18]。该公司迅速宣布了天然氢试点项目计划，随后又在附近第二口勘探井中检测到天然氢[19]，显示在201米处含量很高，表明很可能存在天然氢的富集地。

表1 部分天然氢开发项目

来源：IEA. 全球氢能回顾2023.

三、未来展望

天然氢仍是一个新兴领域，但有潜力成为重要的氢能来源，其具有降低生产成本，在支持能源系统转型方面具有巨大前景。天然氢的勘探开发可以基于油气开发的知识和经验，未来在成因机制、资源勘探和潜力评估、开采利用等方面加大研究力度。首先，天然氢成因较为复杂，现阶段对于地壳中氢的运动和聚集认知有限，仍需进一步补充实验和数据，加大对形成机制及成藏过程研究，为未来长期可持续开发奠定理论基础。其次，天然氢的资源评估仍不准确，需要加强资源勘察和评估，结合地球物理、卫星遥感等技术，进一步明确资源分布，并对已发现的储层进行深入评估，以推进矿区划分和开采。其三，在现有油气开采技术基础上，开展天然氢开采及增产相关研究和测试，进行地质、环境风险评估，以确保安全、高效地开采利用。例如，遵循天然氢的产生机制，通过向反应性地层注入水以刺激发生蛇纹石化生成氢气是具有潜力的方向。这类开采的氢气被称为“橙氢”，其能量消耗高于天然氢，但由于产量高，生产成本仍低于“蓝氢”(即化石燃料结合碳捕集制氢)。进一步地，将不同反应与蛇纹石化相结合可以取得协同增益，如在蛇纹石化过程中将溶解的CO2掺入水中形成固体碳酸盐，可以在产生氢气的同时捕集CO2。此外，还应在岩石再生、地下微生物产氢等方面开展长期研究，以进一步提高天然氢资源的可持续性。