 在元素周期表中排名第一的氢。氢气是最轻的气体21世纪的“终极能源”能源是人类生存和发展的重要支柱。回顾世界能源史，从人类开始用火到原子能被利用，已经经历了两次能源结构转型。 第一次转型发生在19世纪初，生物能向煤炭能源转型。生物能是指柴火燃烧产生的能量，自从火被发现和利用后便成了主要的能源形式，让人类有了照明、驱赶野兽、煮熟食物的能力，至此人类的生存能力大大提高了。18世纪60年代至19世纪40年代，第一次工业革命极大地推动了经济的发展，是人类社会从农业时代向工业时代过渡的重要标志。第一次工业革命也被称为“蒸汽革命”，蒸汽机的发明和广泛利用推动了煤炭的大规模开采利用，人类进入了煤炭能源利用的新时代。  绿氢是真正零排放的清洁能源第二次能源转型分为两个阶段。第一阶段出现在20世纪60年代，煤炭能源向石油能源转型。以石油为能源的内燃机比蒸汽机效率更高、体积更小，可以应用到更多的机器上。随着内燃机技术的进步和大规模普及，石油逐步取代煤炭成为全球能源体系中占比最大的能源，被比喻为现代工业的“血液”。 第二阶段发生在20世纪70年代，全球发生了一场前所未有的石油危机，对世界经济造成巨大的冲击，促使各国对能源问题进行深入的思考和探索，世界各国开始加大天然气和核电能源的利用。 目前面临的第三次能源转型以可再生能源为重要目标，从石油和天然气逐步向太阳能、风能、氢能等新能源过渡，旨在减少对化石能源的依赖，使用更高效的能源，减少对环境的影响，扭转气候变化以及减少温室气体排放，又被称为“能源的低碳转型”。 氢在元素周期表中排名第一，氢气是最轻的气体。与传统能源相比，氢能是一种能量密度更高的燃料，发热值极高，约为汽油的3倍、酒精的3.9倍、煤炭的4.5倍。石油燃烧产生能量的效率一般为30%～40%，而氢的发电能量转化效率高达65%～90%。 氢气燃烧之后的唯一产物是水，没有任何污染。氢能有着“21世纪终极能源”之称，被视为最具发展潜力的清洁、高效、安全、可持续的二次能源，是人类的战略能源发展方向。 虽说氢是宇宙中含量最多的物质，约占总量的75%，但是它太活泼了，几乎不可能单独存在，一般情况下，我们只能发现它的化学元素结合物。例如氢与氧结合成水，氢与碳、氧等结合成有机化合物，其中包括脂肪、氨基酸、水杨醛、丁烷、乙烯和甲炔。 根据氢的来源和生产过程中碳排放量的不同，氢可以分为灰氢、蓝氢、绿氢和紫氢。 灰氢是通过化石燃料（石油、天然气和煤炭）燃烧制造的，其制造成本低、技术成熟，但在制造过程中产生的二氧化碳排放量大，每生产1吨灰氢平均要排放15～20吨二氧化碳。此外，生产灰氢还会产生大量高盐废水及工业废渣。蓝氢是在生产灰氢的基础上，将二氧化碳副产品捕获、利用和封存后制取的。虽然蓝氢已经能够减少90%的碳排放，但是二氧化碳的封存条件非常苛刻，因此大大限制了蓝氢的发展。绿氢是利用可再生能源（如太阳能或风能等）发电后再通过电解工序制取的，由于制取技术路线主要为电解水，其碳排放可以达到净零。紫氢又被称为“红氢”，是以来源丰富的水为原料，利用核能大规模生产的。 绿氢是真正零排放的清洁能源，具有广阔的市场前景，有望成为交通、工业等领域能源碳中和的有效解决路径。绿氢发电有燃料电池和燃气轮机两种方式。其中，氢氧燃料电池是一种利用氢和氧通过化学反应直接产生电能的设备。燃气轮机为实现从用天然气到用氢的转型，需要利用掺混燃烧作为过渡。最初，人们通过对现有燃烧室进行相对较小的改造，从而允许将氢气混合燃烧到最大含量，然后进一步开发新型燃烧室，使燃机使用的氢气含量达到100%。但目前绿氢的价格昂贵，产量在总产量中不足1%。因此，科学家仍在努力寻找更经济、可行的“低碳”氢，甚至“零碳”氢。 前景诱人的天然氢产业天然氢不需要使用大量电力就能将其从氧等其他元素中分离出来，生产方式更可持续，更有利于建设环境友好型社会。与此同时，天然氢能以一种安全、清洁、低成本的方式进行利用。与需要数百万年形成的化石燃料储存不同，天然氢能够不断形成，并被低成本无休止地开采。而灰氢的主要问题是二氧化碳排放。灰氢也不像绿氢那样，利用大量的可再生能源通过水电解来生产。 2023年，《科学》杂志将“寻找天然氢源的热潮”列入当年“十大科学突破”，指出天然氢是最重大的科学发现、科学进展及未来趋势之一。天然氢又被称为“白氢”“地质氢”“天生氢”，许多人将其视作黄金一样珍贵，因此也称它为“金氢”。 一般认为自然界很难生成天然氢。因为氢气富含化学能且具有反应性，是一种强还原性气体。地壳中的大部分氢气被微生物消耗或转化为其他化合物，很少单独存在。氢气密度较小，难以积累，会从密封的岩石中逸出。直到近十多年，大规模的天然氢气不断被发现，才为开发天然氢提供了新的可信度。 寻找天然氢源的热潮可追溯到一个不起眼的村庄——马里共和国首都巴马科西北55千米处的布拉凯布古。1987年，有人在这里的一口探井旁取水时抽烟，突然一股澎湃的气流从100多米深的探井里涌出，这股气流遇到火星立即被点燃，一下子爆裂开来，幸好这个人只是被烧伤。之后，人们花费数周时间才把大火扑灭，顺便把涌出气流的探井给封上。村民马马杜·恩古洛·科纳雷在接受《科学》杂志采访时描绘道：“白天，火光的颜色犹如蓝色的波光粼粼的水面，没有黑烟污染。夜晚的火光则像闪闪发光的金子。” 2007年，马里富商、查普曼天然气公司的董事长阿利乌·迪亚洛获得了布拉凯布古周边地区的勘探权。2012年，勘测团队发现当时探井中涌出的物质是98%纯度的天然氢。几个月后，查普曼天然气公司便在这里安装了发电机，用天然氢发电，为村民们供电。根据初步测算，开采1千克天然氢约需50美分，是利用太阳能、风能、地热能或其他绿色能源电解制氢成本的十分之一。目前，马里是世界上唯一一个开采天然氢的国家，为全球金氢商业开发提供了参考范例。 2018年，相关团队在《国际氢能杂志》上发表了一篇关于布拉凯布古天然氢的论文。文章介绍，经过10多年的抽取后，探井中的气体压力并没有下降，这表明地层深处正源源不断地补充天然氢。从十几口探井中获得的证据，证实布拉凯布古周边地区有可能存在一个巨大的天然氢层，至少有5个堆叠的储层，覆盖了直径大于8千米的面积。 在布拉凯布古找到天然氢的意义，堪比1859年发现石油的意义。当时，一个名叫埃德温·德雷克的人，在美国宾夕法尼亚州泰特斯维尔的石油溪谷地区钻出了世界上第一口油井。这口油井开启了美国人寻找石油的热潮，并改变了世界能源格局。 2023年5月，法国科学家雅克·皮罗农和菲利普·德·多纳托在检查法国洛林地区废弃矿山钻井存在的沼气风险时，使用世界上首个专用探测器评估洛林矿盆地底层土壤中的甲烷含量，结果在几百米深处意外地发现了天然氢。皮罗农表示，随着探测的深入，天然氢的浓度逐渐升高，在洛林矿盆地地下1100米处的天然氢浓度为14%，到了1250米处则增至20%。对此，科学家们下一步的计划是钻探至3000米深处，以便更清楚地了解天然氢的确切含量。皮罗农和多纳托通过计算，得出了洛林矿盆地可能含有4600万吨天然氢的结论。  查普曼天然气公司在马里的布拉凯布古利用天然氢气为村民们发电2023年，澳大利亚一家天然氢公司获得本国政府批准开展天然氢勘探后，在南澳大利亚一口百年前钻探的探井地下240米深处，检测到浓度高达73.3%的天然氢。此外，该公司还在这口深度达1005米的探井中，发现了目标地区境内广泛相连的断裂系统，这对于把天然氢从更深的源头迁移至浅层区域至关重要。为了更好地了解潜在的氢气储量，该公司还检测了另一口百年前钻探的探井，两口井相距约500米。 开发利用任重道远按照地球内部地质成因，天然氢可以分为原生氢和次生氢。其中，原生氢是指储存在地幔或地核中的氢气被逐渐释放至近地表。而次生氢则是指地幔或地壳中通过各种化学反应生成的氢气。 天然氢赋存在多种地质环境中，按照赋存状态可以分为游离氢、包裹体氢和溶解态氢。其中，游离氢是指赋存在岩石（或地层）孔隙或裂隙中能自由运移的氢气，是天然氢的主要赋存形式之一。包裹体氢是指氢气以包裹体的形式或者以吸附的形式被圈闭在岩石内。而溶解态氢则是指天然氢作为溶解态气体存在于地下水中。 天然氢的产生过程非常复杂，涉及多种地质因素和化学反应，迄今尚无一个统一的理论来解释所有的现象。根据目前的研究，天然氢可能来源于生物成因、非生物成因和混合成因（即多种不同成因的结合）。 生物成因包括热作用和微生物作用，如位于深层沉积物中的铵化合物在高温下分解形成氢和氮。在阿曼发现的氢氮气体渗漏现象，在位于美国蒙大拿州东南部的粉河盆地的煤层中也被观察到。  美国北卡罗来纳州因天然氢渗出导致的洼地 巴西找到大片天然氢渗出的地区非生物成因存在以下几种情况：一是辐射水分解。在地壳深层的岩石中存在着大量的铀、钍等放射性元素，这些元素放射性衰变时释放射线，其能量将水分子分解产生氢气。因受古老岩石层分布的限制，这个过程十分缓慢。二是蛇纹石化，即在地球深处，地下水与超镁铁质岩发生反应时，形成一种叫作“蛇纹石”的矿物，同时释放出氢气。超镁铁质岩是一种富含镁、铁元素的岩石，主要由橄榄石和辉石等矿物组成。超镁铁质岩是大洋中脊缓慢扩张的岩石圈的重要组成部分，也可以出现在不同的地质构造环境中。三是地心释放。天然氢来自地球更深处的地幔或者地核，沿着板块边界和断层缝隙上升到地表。 长久以来，科学家们一直关注蛇纹石化，这是一种快速且可再生的反应，可能产生了地球上80%的天然氢。美国能源部计划投入2000万美元，刺激地质层生成天然氢。该计划负责人道格·威克斯表示，将探索加速蛇纹石化过程的方法，从地下产生天然氢。 从全球来看，基于产生天然氢所需的地质条件极为普遍，推测全球天然氢的储量将十分可观。近年来，在美国、加拿大、芬兰、菲律宾、澳大利亚、巴西、阿曼、土耳其和马里等30多个国家都找到了天然氢。一旦天然氢的开采和生产实现商业化，将轻松取代用可再生能源电解水生产的绿氢，成为更具竞争力的清洁能源新选择。英国《独立报》援引国际投行数据指出，预计到2030年，全球天然氢产业价值将达到750亿美元。
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发表于 2024-12-14 18:50:05