氫是一種清潔、高效、零碳的能源載體，作為連接氣、電、熱等不同能源形式的橋梁，將在未來能源體系中發(fā)揮重要作用，尤其是用于難以通過電力脫碳的行業(yè)。2022年全球氫氣產(chǎn)量達到9500萬噸/年，低碳氫僅占0.7%[1]，無法滿足能源系統(tǒng)向清潔轉(zhuǎn)型的需求。盡管全球低碳制氫項目正呈現(xiàn)井噴式增長，即使所有已宣布項目均能成功建設(shè)，到2030年全球低碳氫產(chǎn)能也僅達到4500萬噸/年[2]，仍存在大量缺口。近年來，天然氫作為一種新的清潔氫氣來源逐漸受到關(guān)注。天然氫又被稱為“地質(zhì)氫”、“金氫”或“白氫”，是地下地質(zhì)作用產(chǎn)生的可再生氫氣，其生產(chǎn)成本低，儲量巨大。自天然氫在非洲馬里被成功開發(fā)以來，美、加、澳等國紛紛加強對天然氫的勘探和開發(fā)利用。2023年，天然氫首次被國際能源署(IEA)寫入氫能年度旗艦報告《全球氫能回顧》，并入選Science雜志年度十大突破[3]。本文系統(tǒng)梳理總結(jié)了全球天然氫勘探開發(fā)進展，供決策參考。

一、天然氫的成因及資源潛力

天然氫一直長期被忽視。由于自然界中的游離氫極為少見，傳統(tǒng)觀念認為，氫氣難以在地下存在，或是儲量過少而不具備勘探價值，氣體采樣和檢測往往缺乏對氫氣的檢測。現(xiàn)代油氣開采通常在富含有機物的沉積巖中作業(yè)，這些巖層中的氫含量稀缺，因此也很少檢測到氫氣。原蘇聯(lián)研究人員認為天然氫是油氣的主要成因機制，在多地開展檢測，發(fā)現(xiàn)了大量高含量天然氫的存在。目前，世界各地已記錄了數(shù)百起天然氫泄漏現(xiàn)象。研究顯示，美國東海岸卡羅萊納灣的圓形凹陷可能是地質(zhì)氫從深處遷移到地表的流動路徑表現(xiàn)[4]，澳大利亞西部北珀斯盆地的“仙女圈”地貌可能是天然氫泄漏抑制了地面植被生長導(dǎo)致[5]。2012年，加拿大Hydroma公司對西非地區(qū)馬里Bourakébougou村的一口因失火而封閉的干井進行了檢測，發(fā)現(xiàn)其中氫氣含量高達98%。該公司基于該井建設(shè)了全球首個天然氫發(fā)電商業(yè)電站，引起了人們的廣泛關(guān)注。尤其是2018年針對馬里天然氫井開發(fā)的研究在International Journal of Hydrogen Energy雜志發(fā)表[6]以來，天然氫相關(guān)研究論文數(shù)量大幅增加，對于天然氫的成因、分布環(huán)境、資源潛力等均進行了研究。

對于天然氫的形成機制尚未有定論，當前研究提出的機制有多種(如圖1[7])，其中有3種被認為是主要成因：①水的輻解，巖石中的微量放射性元素輻射使水分解產(chǎn)生氫氣，該過程極為緩慢，在一些古老的巖石中最有可能發(fā)生;②蛇紋石化，在高溫高壓下，水與富鐵巖石反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，這種快速且可再生的反應(yīng)稱為蛇紋石化，可能是地質(zhì)氫最主要的成因;③地球深部脫氣，指地核或地幔存儲的氫氣沿著板塊邊界和斷層上升流出，由于勘探技術(shù)的限制，目前還無法直接觀測到地球深部中氫的存在，因此該說法還存在爭議。

圖1 天然氫的生成機制

全球已發(fā)現(xiàn)的天然氫在分布上相對廣泛，其中體積分數(shù)大于10%的高含量氫主要發(fā)育于蛇綠巖帶、裂谷和前寒武系富鐵地層這3種地質(zhì)環(huán)境中[8]。蛇綠巖帶位于匯聚板塊邊緣，主要由火山巖和沉積巖組成，其相關(guān)天然氫都具有較高含量顯示。阿曼是發(fā)現(xiàn)蛇綠巖帶天然氫最多的國家，多數(shù)樣品氫體積分數(shù)超過60%，最高達到99%;土耳其、菲律賓、美國等國也有發(fā)現(xiàn)。裂谷天然氫主要發(fā)現(xiàn)于洋中脊區(qū)域，大西洋中脊彩虹熱液田(Rainbow hydrothermal field)中的氫氣體積分數(shù)可超過40%，目前對該環(huán)境的天然氫檢測較少，僅在美國愛荷華州西北地區(qū)有所發(fā)現(xiàn)。許多已發(fā)現(xiàn)的天然氫都與前寒武系富鐵地層有關(guān)，在基底、巖石包裹體、沉積巖中均檢測到高含量天然氫，是全球天然氫的重要產(chǎn)層。

在資源潛力方面，自20世紀80年代起，相繼有學者對自然界中的天然氫生成量進行估算，估算值呈數(shù)量級增加。結(jié)合地球形成以來的巨大氫消耗和產(chǎn)生量，地下存在大型氫氣儲層與氫源的可能性很高。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)基于石油行業(yè)的簡單模型，開發(fā)了一個全球地質(zhì)氫資源預(yù)測評估模型，該模型考慮了非滲透巖石圈閉、微生物破壞影響，以及基于石油行業(yè)經(jīng)驗的假設(shè)(即只有10%的天然氫儲量能夠被經(jīng)濟地開采)，顯示天然氫資源潛力在萬億噸量級[9]。其中大部分資源可能過于分散，無法被經(jīng)濟地開采，但只要有2%或3%的天然氫能夠被開采，就可滿足數(shù)百年的需求(以5億噸/年計)[10]。目前，USGS正致力于繪制全球首個天然氫資源分布圖。

二、全球天然氫勘探開發(fā)現(xiàn)狀

實現(xiàn)碳中和目標要求氫能的利用要基于清潔制氫，但當前可再生能源生產(chǎn)的“綠氫”成本約為5美元/千克，是主流“灰氫”(即化石燃料來源如甲烷蒸汽重整制氫)成本的2倍多。美國能源部(DOE)推出“氫能攻關(guān)計劃”，提出了全球最具雄心的綠氫降本目標—到2030年降至1美元/千克。天然氫的生產(chǎn)成本可比上述成本更低，得益于深度較淺和具有較高氫氣純度，馬里的天然氫生產(chǎn)成本可能低至0.5美元/千克。2021年的全球首屆天然氫大會H-Nat上，與會專家表示天然氫的成本在0.5~1美元/千克[11]。

天然氫的成功開發(fā)促使許多國家開展布局。美國石油地質(zhì)學家協(xié)會在2021年成立了首個天然氫委員會。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)與美國科羅拉多礦業(yè)學院在2023年9月啟動了一個聯(lián)合工業(yè)項目，合作單位包括英國石油公司(BP)、雪佛龍等大型石油公司，旨在研究地質(zhì)氫的資源潛力并開發(fā)勘探技術(shù)，確定地質(zhì)氫的儲藏地[12]。美國能源部先進能源研究計劃署(ARPA-E)也在9月宣布投入2000萬美元啟動“地質(zhì)氫”計劃[13]，將通過變革性技術(shù)開發(fā)和示范，以最低經(jīng)濟成本和環(huán)境影響從地質(zhì)層中產(chǎn)氫，重點資助2個主題：①通過受激發(fā)的礦物學過程生產(chǎn)地質(zhì)氫，加深對產(chǎn)氫地球化學反應(yīng)及提高或控制產(chǎn)氫速率的認知;②氫儲層管理地下工程，重點關(guān)注與地質(zhì)氫提取相關(guān)的技術(shù)，包括地下輸運方法、地下工程改進、生產(chǎn)和提取過程中的儲層監(jiān)測和/或建模，以及評估氫儲層開發(fā)風險。

南澳大利亞于2021年2月將氫氣納入《2000年石油和地熱能法案》的“受管制物質(zhì)”范圍，使天然氫勘探許可得以授權(quán)，至今已頒發(fā)了40多個勘探天然氫礦床的許可證[14]。該法案現(xiàn)已修訂為《2023年能源資源法案》，將綠氫生產(chǎn)納入其中。澳大利亞地球科學局已經(jīng)完成了對澳大利亞地下鹽礦的審查，以確定地下儲氫的潛在地點，該項工作還將為天然氫提供勘探信息。

天然氫的勘探開發(fā)尚處于早期階段，以小型公司為主導(dǎo)。根據(jù)IEA的統(tǒng)計，從事天然氫勘探的公司已經(jīng)從2020年的僅有3家，發(fā)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脈山麓發(fā)現(xiàn)了一個儲量超過100萬噸的天然氫儲層，并于6月啟動了歐洲首個天然氫項目Monzón，計劃在2024年開始鉆探第一口井，2028年實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)[15]。該公司估計，天然氫的生產(chǎn)成本可以達到0.75歐元/公斤。法國能源公司(FDE)與洛林大學、法國國家科學研究中心(CNRS)合作開展Regalor研究項目，2023年5月在法國東部的一口鉆探井中發(fā)現(xiàn)大量天然氫[16]，地下1093米深石炭紀巖層中的流體含有15%的氫，并估計地下3000米處氫氣濃度為98%，預(yù)計將是迄今發(fā)先的最大天然氫儲庫之一。美國Natural Hydrogen Energy公司于2019年在美國內(nèi)布拉斯加州鉆探了全球第一口氫氣勘探井Hoarty NE3，并與澳大利亞HyTerra公司在2023年完成擴展測試，成功鉆取了氫氣流。美國天然氫初創(chuàng)公司Koloma于7月獲得了比爾·蓋茨Breakthrough Energy Ventures等投資者的9100萬美元風險投資，該公司創(chuàng)始人擁有16項氫氣提取相關(guān)專利，包括使用人工智能輔助激光成像和衛(wèi)星來評估天然氫的存儲地[17]。澳大利亞Gold Hydrogen公司在2023年11月宣布在位于南澳大利亞約克半島的拉姆齊1號(Ramsay 1)探井的240米深處發(fā)現(xiàn)含量高達73.3%的天然氫，并在1005米處發(fā)現(xiàn)了對于氫從深處來源遷移至淺層區(qū)域至關(guān)重要的裂隙系統(tǒng)[18]。該公司迅速宣布了天然氫試點項目計劃，隨后又在附近第二口勘探井中檢測到天然氫[19]，顯示在201米處含量很高，表明很可能存在天然氫的富集地。

表1 部分天然氫開發(fā)項目

來源：IEA. 全球氫能回顧2023.

三、未來展望

天然氫仍是一個新興領(lǐng)域，但有潛力成為重要的氫能來源，其具有降低生產(chǎn)成本，在支持能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型方面具有巨大前景。天然氫的勘探開發(fā)可以基于油氣開發(fā)的知識和經(jīng)驗，未來在成因機制、資源勘探和潛力評估、開采利用等方面加大研究力度。首先，天然氫成因較為復(fù)雜，現(xiàn)階段對于地殼中氫的運動和聚集認知有限，仍需進一步補充實驗和數(shù)據(jù)，加大對形成機制及成藏過程研究，為未來長期可持續(xù)開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。其次，天然氫的資源評估仍不準確，需要加強資源勘察和評估，結(jié)合地球物理、衛(wèi)星遙感等技術(shù)，進一步明確資源分布，并對已發(fā)現(xiàn)的儲層進行深入評估，以推進礦區(qū)劃分和開采。其三，在現(xiàn)有油氣開采技術(shù)基礎(chǔ)上，開展天然氫開采及增產(chǎn)相關(guān)研究和測試，進行地質(zhì)、環(huán)境風險評估，以確保安全、高效地開采利用。例如，遵循天然氫的產(chǎn)生機制，通過向反應(yīng)性地層注入水以刺激發(fā)生蛇紋石化生成氫氣是具有潛力的方向。這類開采的氫氣被稱為“橙氫”，其能量消耗高于天然氫，但由于產(chǎn)量高，生產(chǎn)成本仍低于“藍氫”(即化石燃料結(jié)合碳捕集制氫)。進一步地，將不同反應(yīng)與蛇紋石化相結(jié)合可以取得協(xié)同增益，如在蛇紋石化過程中將溶解的CO2摻入水中形成固體碳酸鹽，可以在產(chǎn)生氫氣的同時捕集CO2。此外，還應(yīng)在巖石再生、地下微生物產(chǎn)氫等方面開展長期研究，以進一步提高天然氫資源的可持續(xù)性。