全球天然氢勘探与应用发展
当前，全球新一轮能源革命蓬勃兴起，与经济社会转型、高质量发展形成历史交汇，国际产业格局正在重塑。氢既是不可或缺的工业原料，又是一种来源广泛、清洁低碳、安全高效的燃料。在全球应对气候变化背景下，氢能逐步成为能源技术革命的重要方向，有望在能源转型中发挥核心作用。
迄今为止，全球已有20多个国家和地区发布氢能发展战略或路线图。但氢仅仅被视为一种能量载体（二次能源），尚不是一种大规模、稳定的能源品类。尤其是业界对于氢的来源以及成本仍有不小的争议：氢的制备96%来自化石能源，尽管成本较低但制取过程中会产生大量的碳排放；即使配合二氧化碳捕集与封存，也只是推迟了二氧化碳的排放。利用可再生能源电解水大规模生产氢也颇具挑战性，既存在多道转换带来的高成本，同时储存设施较大的依赖进一步降低了整体经济性。
1天然氢分布与勘测
自20世纪70年代以来，全球已在海底和陆地上发现了近百处天然氢渗漏和逸出案例。水与岩石相互作用产生天然氢的机制已被科学界印证。非洲马里更是打出纯度为98%的“氢井”。天然氢的勘探和研究正成为能源领域的一项重要课题，这有望重新塑造各方对氢的认知，加速氢能产业化的发展。
一个世纪以前，已经有关于天然气开采过程中伴生氢气的观测，但氢的含量变化很大（从 1ppm到10%不等）。直到20世纪70年代末在大洋中脊发现富含氢气的流体之后，科学家才开始着手系统研究天然氢的起源，先后经历从海洋到陆地作业再到定点观测三个阶段，但对其形成机理远不如甲烷（CH4）、氮气（N2）和一氧化碳（CO）那样认识全面。
1.1大洋中脊的含氢热液
许多记录均显示富含氢的气体来自地壳深部和地幔岩石上部，主要是橄榄岩以及一些重大的深根断层带。1997年，法国海洋开发所（IFREMER）在亚速尔群岛以南水下2300m大西洋中脊发现富含氢气的热液。随后数年，该团队沿着大西洋中脊发现了7个天然氢逸出点。
大西洋中脊阿马尔段的高浓度甲烷和天然氢的逸出表明天然氢的产生可能与橄榄岩的改变以及蛇纹石化有关。地幔衍生出的超镁铁质岩（以橄榄石、辉石为主）是大洋中脊缓慢扩张的岩石圈的重要组成部分，这些岩石普遍呈蛇纹状，多来自下洋壳和上地幔超基性岩中的蚀变过程，富含橄榄石和辉石矿物的岩石在低温（＜300℃），高pH值（＞10）条件下发生水—岩反应，导致橄榄石和辉石中的二价铁被氧化成三价铁，形成磁铁矿（Fe3O4）和其他矿物，同时释放分子氢（H2）。据估计，海洋地壳内橄榄岩发生的热液蛇纹石化产氢量在4000~10000t/a/km中脊之间。
橄榄岩的蛇纹石化是大洋中的重要地质过程。与热液系统相关的基性—超基性岩在大洋中非常普遍，蛇纹石化过程可能驱动热液系统并产生氢气，进而为微生物群落提供所需要的能量和初始物质。这一过程被认为是生命起源最重要的变质水化反应。研究表明，不仅是海底热液蚀变会产生氢气，洋壳俯冲过程中地幔楔橄榄岩蛇纹石化也会生成氢气，但由于洋壳玄武岩的加入，氢气的产量会远小于橄榄岩蚀变时的产量。
1.2陆地的天然氢逸出
蛇纹石化可以出现在不同的地质构造环境中。科学家参照大洋中脊的地质环境在陆地开展野外研究，并在阿曼、菲律宾、土耳其、日本、意大利、冰岛、新西兰、新喀里多尼亚等地相继发现相关超镁铁质岩氢逸出现象。来自阿曼北部塞马伊勒纳皮（SemailNappe）蛇绿岩的证据（1974—1981），也表明了天然氢可能形成于封闭的地下水环境中的低温氧化还原反应。山崎断层、美国堪萨斯州章克申城均发现有天然氢的逸出。后者与阿曼地区蛇绿岩中逸出的气体相似，低温无机成因的合成气主要由氮气及占总体积24%~37%的氢气组成。这一表观与北美中部裂谷系有关，是研究美国中西部岩石类型及氢气资源分布的重要线索。
根据测算，在大陆某些有条件的地区，天然氢的产生率可以达到0.72~4.54万t/a。近10年来，对俄罗斯克拉通地形、美国大西洋沿岸平原、马里陶德尼盆地等与超镁铁质岩无关的天然氢逸出的观察，进一步丰富了业界对地壳中天然氢产生机制的理解。尤其是在马里巴马科以北50km处的布尔克布古（Bourakebougou）附近发现了大量天然氢，并呈现出独特、活跃的氢系统地质特征，最浅的探井仅110m深。
在欧洲克拉通地形的俄罗斯部分，有数千个次循环结构（较小形态的洼地），大小从直径100m到几公里不等。这些结构的外围通常被一圈与植被生长密切相关的白色土壤包围，内部通常与沼泽或湖泊相对应。这些圆形洼地表面存在天然氢逸出，且土壤中从内到外的氢分子浓度逐步降低。根据初步估算，每天从其中一个结构表面溢出的氢气约1.88到2.41t。美国北卡罗莱纳州“卡罗莱纳湾”形态洼地也存在天然氢逸出。该地形在大西洋沿岸的平原上很常见，土壤表面时常有氢分子逸出，尤其是海湾附近更为明显。
测量结果表明，这一区域的天然氢源自从地壳内部向表面扩散的流体通道，这种逸出与东欧克拉通观察到喷发类似，但其生成、扩散的潜在机制以及对地质的影响尚不清楚。巴西科学家尝试在米纳斯吉拉斯州圣弗朗西斯科盆地（SaoFranciscobasin）一直径500m的圆形洼地持续监测天然氢逸出。研究表明，天然氢的排放速率不是恒定的，每天逸出时间在6~12h不等，一般最热时（中午）达到峰值约150ppm。
综上，对于天然氢的观察以及研究中，超镁铁质岩的蛇纹石化是最多的。此外业界总结的天然氢的来源，还有放射性衰变引起的水辐射分离，类似的还有南非威特沃特斯兰盆地和加拿大安大略省蒂明斯盆地的深矿区研究；以及某些发酵厌氧细菌和蓝藻细菌。迄今为止，业界对于地壳中氢系统（产生、迁移、消耗和潜在积累）的认知非常有限。因为缺乏针对氢的实际指导方针，到目前为止，既缺乏勘探战略，也没有任何资源评估。
2天然氢的实践应用
2012年，在马里巴马科北部钻井作业时意外发现了纯度为98%的氢气（其余2%为甲烷）。这一浓度的天然氢可能具有全球意义，有望为天然氢的工业化开发开辟新的前景。
随后几年，加拿大Petroma公司在马里布尔克布古油田针对天然氢的钻探取得了成功，所完成的25口勘探井均发现了天然氢。这为了解地壳天然氢系统提供了新的认识，也为后续建立一个可预测的富氢地质模型，并用于在该区域或世界其他地方发现更多的天然氢提供了条件。
从科学角度看，马里的天然氢与新元古代的沉积物有关。这一时期的地质特点是地球温度较低，大气中氧气比例减少，塑造了沉积岩中的还原环境。相对纯净的氢储层还含有微量的甲烷、氮和氦。天然氢的生成被认为发生在比现有储层更深的地方，并且很可能从基底发出，这已被大量放射性氦和氩的出现所证明。马里的“氢井”强调了非化石的氢气来源，并呈现出可持续能源的特征。
氢的积累可以解释为大量的粒玄岩起到流体屏障的作用。然而，含水层似乎也起着渗透障碍的作用，因为在浅层的氢气实际上不溶于水。多重叠加的灰质基石和含水层，阻止了天然氢向上的运移和泄漏。最近在一些探井发现了“自流”水流机制，其中富含氢气。这种“间歇泉”的动力可能源自地下超压流体。这使得利用其发电成为可能，有助于天然氢成为一种可持续的能源。基于从井口附近获得的初期大量气体数据，可以确认存在至少5个含氢储层，估计其覆盖超过直径8km的区域。地球化学研究表明，氢逸出的发生范围最多可达150km。
为了进一步推动这项研究，Petroma公司建立了一个试点发电厂。该发电厂由井口采集的天然氢驱动，并为附近村落供电。这证明了天然氢在自然状态下可以产生足够规模且100％绿色的电力为房屋供电。根据初步测算，开采1kg天然氢的成本比当前人工制取氢气的成本低2~10倍，这对未来的能源系统非常有吸引力。2019年，美国天然氢公司在内布拉斯加州Fillmore县完成第一口天然氢探井，并成功提取了氢气和氦气，再次为天然氢的进一步发展提供了支撑。
尽管人们早已认识到天然氢的存在，但直到最近才发现，它是潜在可扩展的清洁能源解决方案。但多项证据表明，它比以前想象的还要丰富。
2019年10月，法国国家科学研究中心组织了一场天然氢研讨会。会议对所有已知来源的天然氢进行了重新评估。希望了解其能源潜力的研究者，制造商和决策者围绕天然氢创建一个跨学科的机制，打造从资源开发到联合应用的知识链。2019年12月，美国俄亥俄州立大学能源研究与培训中心举办了题为“深度脱碳的能源解决方案—氢能”的研讨会，会议围绕“天然氢”进行了重点研讨，认为天然氢存在着研究和勘探价值，并代表了从化石燃料向可持续清洁能源过渡的途径。
2019年，德国联邦教育与研究部宣布投资3000万欧元用于开展西非氢能“潜力”研究，为与非洲国家的合作铺平道路。自2010年以来，该部一直在与贝宁、科特迪瓦、加纳、马里、尼日尔等国搭建科学合作机制。2019年11月，第一次研讨会在加纳首都阿克拉举行，明确非洲的绿氢在当地能源供应和德国出口中可能发挥关键作用，氢能潜力图将成为非洲工业和科学合作伙伴开展氢能先锋示范项目的基础。2020年2月，德国与尼日尔建立一个联合项目，探索可再生氢的生产和进口贸易。
3天然氢的发展展望
脱碳加氢是贯穿整个人类的能源利用史的一条主线。天然氢作为一种自然生成的无碳氢源，这有可能为当前全球能源转型和应对气候变化提供战略契机。当前，99%的深层钻探项目都是在与氢无关的情况下进行的油气勘探和生产。通过汇总全球已发现的天然氢数据以及勘探活动，业界有望基于天然氢的“生产-迁移-积累”机制制定初步的勘探指南。作为一门新兴科学，在完全理解“氢系统”之前，天然氢有可能重复石油和天然气开采的历程。石油和天然气勘探始于19世纪中叶，并迅速取得了成功。但彼时人们对油气的生成、烃源岩和烃类运移知之甚少。20世纪30年代，分析化学的兴起使人们开始理解油气的有机来源。直到20世纪60年代，业界才对油气系统的功能（生成、运移、聚集、蚀变和渗漏）有了全面的认识。
一般来说，蛇绿岩序列是由橄榄岩、辉长岩、枕状玄武岩和深海相沉积物组成。我国广泛分布有不同时期的蛇绿岩，以东经105°为界分为两大成矿区域：西部以富镁质超基性岩、富镁铁质超基性岩为成矿特征；东部以铁质、钙镁铁质超基性岩为主的成矿区域。此外，煤层气中含氢气也较为普遍，这与煤岩结构及煤的演化历程密切相关。在一定的变质程度内，变质程度相对较高的煤岩氢气含量也高。山西省沁水盆地南部同一煤层气勘探区内，煤自然释放的氢气与自然释放的氦气和甲烷之间存在规律性。
天然氢的可持续性和普遍性有待学界进一步深入研究，但这并不妨碍我们全面认识氢以及评估其对氢能产业高质量发展的影响。一方面是氢的科学定位。马里的天然氢井初步展示了工业开发的潜力，这有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。另一方面对氢的经济性有着重大意义。一旦天然氢的持续性得到进一步验证，因其除了开采成本外，不需要任何能量来生产和转换，可能比当前任何制取方式都便宜，全产业链成本将从源头得以降低。
天然氢的大规模勘测尚存在四大难点：①氢气无色、无味，且自身具有质量轻，溶解度小，极易挥发迁移等特点；②在自然系统中，天然氢的产生和消耗是紧密耦合的，可能导致其浓度较低；③此前的研究均指向大规模的天然氢被封存在地球深处，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；④氢在上述活动中气体样品的检测和技术分析过程缺位，气相色谱法常用氢气作为载气，且检出限一般≥1ppm，仅有少数用于自然科学的分析仪器在其设计中包括氢传感器，有可能低估当前天然氢的逸出统计。
于我国而言，系统开展上述天然氢潜力研究首先要加强对氢的整体认识，天然氢在研究地球生命演化、大气环境变化、化石能源勘探以及地震预测方面均能提供有益的视角，且有待进一步协同；其次建议将天然氢纳入气体分析测量，以便提供常态化的氢评估，尤其是地质研究和非常规油气钻探过程中。即使短期内勘探和开采天然氢水平有限，通过其机理研究将拓展出新的零碳、低成本制氢方式。橄榄石的水化是一个无碳排放过程，具备以较低的原料成本提供大量氢气供应的潜力。科学家已经开始在实验室探索橄榄石蚀变产生氢气的可能性，二氧化碳的加入甚至有助于增强制氢效率。此外，通过对天然氢系统的研究，尤其是储氢层的探索，有助于拓展地下大规模、低成本储氢设施，进一步降低分销成本，加速氢能的规模化应用。