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2024 年 6 月 13 日
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【巴枯寧專欄】氫獵人的腳步越來越快了!(3-2)

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《科學》(Science)期刊物理科學副新聞編輯埃里克漢德(Eric Hand)最新在《科學》上發表的一篇文章<隱氫;地球是否擁有大量可再生、無碳燃料?>(HIDDEN HYDROGEN;Does Earth hold vast stores of a renewable, carbon-free fuel?)深入介紹氫氣將成為最有價值的新能源。

文 / 巴枯寧 系列報導

氫氣可以替代不適合電池的碳氫化合物

埃里克漢德指出,這些存儲問題——連同缺乏管道和分配系統——是在汽車電動化競賽中電池勝過將氫轉化為電能的燃料電池的主要原因。同樣,對於家庭供暖,大多數專家認為電熱泵比氫爐更有意義。

然而,麻省理工學院能源系統研究員達里克·馬拉普拉加達 (Dharik Mallapragada) 表示,全球預計的能源需求中仍有多達一半仍難以通過改用電力來脫碳:「這就是氫的用武之地。」 他認為氫氣可以替代不適合電池的重型車輛中的碳氫化合物:卡車、輪船,甚至可能是飛機,所有這些都可以處理更大的油箱和更少的加油站。鋼鐵等需要高溫燃燒的行業是另一個可能的市場。而如今氫氣的主要市場——例如,製造氨肥需要氫氣——將從目前的每年 9000 萬噸繼續增長。

美國能源部斥資 70 億美元建設六個氫「樞紐」

埃里克漢德強調,為了對氣候友好,氫氣需要清潔生產。今天的氫氣是「灰色的」,通過甲烷與蒸汽在高壓下反應或以其他方式使用化石燃料製成。這些過程每年排放約 9 億噸二氧化碳,幾乎與全球航空排放量一樣多。原則上,碳可以被捕獲並隔離在地下,產生「藍色」氫。但大多數希望都寄託在「綠色」氫上——利用可再生太陽能或風能,通過電解槽將水分子分解成氧氣和氫氣。

政府已經接受了這個概念。2022 年 9 月,美國能源部 (DOE) 表示將斥資 70 億美元建設至少六個氫「樞紐」:綠色或藍色氫的生產基地。2022 年 5 月,歐盟呼籲到 2030 年每年生產 2000 萬噸新的綠色氫——一半進口,一半國產。

綠色氫氣在十年內希望達到每公斤 1 美元

埃里克漢德說,但綠色氫氣的成本約為每公斤 5 美元,是灰色氫氣的兩倍多,灰色氫氣的價格往往會跟隨天然氣的價格。更便宜的電解槽會有所幫助——美國能源部正在讚助一項「登月計劃」,以在十年內達到每公斤 1 美元。但綠色氫還需要大規模擴大可再生電力。Mallapragada 說,例如,要達到歐盟的目標,將需要大約 1000 太瓦時的新太陽能和風能裝置,幾乎是歐洲現在的兩倍。

從地下抽取氫氣應該更便宜,這就是為什麼支持者有時稱天然物質為「黃金」。Brière 說,馬里的開採得益於淺井和近乎純淨的氫氣,其成本可能低至每公斤 50 美分。Helios Aragon 是一家在西班牙比利牛斯山腳下追求氫能的初創公司,其首席執行官 Ian Munro 表示,他的收支平衡成本最終可能在 50 到 70 美分之間。「如果它確實有效,它可能會徹底改變能源生產,」他說。「那裡有一個很大的‘如果’。但是你不會用綠色氫來得到它,對吧?對我來說,那是一個無底洞。」

石油商怎麼能這麼長時間忽視氫呢?

石油和天然氣 行業在地球上鑽了數百萬口井。它怎麼能這麼長時間忽視氫呢?原因之一是,富含有機物的頁岩或泥岩等產油氣的沉積岩中缺乏氫。當壓實和加熱時,這些岩石中的碳分子會消耗所有可用的氫並形成更長鏈的碳氫化合物。石油在遷移到砂岩等多孔「儲層」岩石時遇到的任何氫氣都會發生反應,形成更多的碳氫化合物。氫還可以與岩石中的氧氣反應形成水或與二氧化碳結合形成「非生物」甲烷。微生物吞噬它以產生更多的甲烷。

地質學家認為,即使氫倖存下來,也不應該積累起來。氫是所有分子中最小的:它可以通過礦物質甚至金屬洩漏。如果地球正在生產氫氣,它似乎不太可能在附近逗留。

因此,從歷史上看,當測井人員對他們的鑽孔排放物進行編目時,他們很少費心去測量氫氣。「底線——他們並不是真的在尋找氫,」美國地質勘探局的有機地球化學家杰弗里埃利斯說。「我們沒有使用正確的工具尋找正確的地方。」

正確的工具尋找正確氫氣的地方

1 放射分解:岩石中的微量放射性元素會發出可以分解水的輻射。這個過程很慢,所以古老的岩石最有可能產生氫氣。

2 蛇紋石化:在高溫下,水與富含鐵的岩石反應生成氫氣。稱為蛇紋石化的快速和可再生反應可能會推動大部分生產。

3 根深柢固:來自地核或地幔的氫流可能會沿著構造板塊邊界和斷層上升。但是這些巨大而深的商店的理論是有爭議的。

4 滲漏:氫氣快速穿過斷層和裂縫。它還可以通過岩石擴散。微弱的滲漏可以解釋有時被稱為仙女圈的淺窪地。

5 微生物:在較淺的土壤和岩石層中,微生物消耗氫來獲取能量,通常會產生甲烷。

6 非生物反應:在更深的層次上,氫與岩石和氣體反應形成水、甲烷和礦物化合物。

7萃取:氫氣可以像石油和天然氣一樣被開採——通過鑽探到鹽礦床或其他不透水岩層下方的多孔岩石中的儲層中。

8 直接:如果富含鐵的烴源岩很淺且裂縫足以收集氫氣,那麼也有可能直接開採這些烴源岩。

9增強:將水泵入富含鐵的岩石中可能會刺激氫氣的產生。添加二氧化碳會將其從大氣中隔離,從而減緩氣候變化。

從烏克蘭煤礦的裂縫中滲出

然而,對於那些看過的人來說,提示是存在的。根據最近發表天然氫評論的地球化學家 Zgonnik 的說法,對它的第一次科學討論可以追溯到 1888 年,當時元素週期表之父德米特里·門捷列夫 (Dmitri Mendeleev) 報告說氫從烏克蘭煤礦的裂縫中滲出。在烏克蘭出生和長大的 Zgonnik 說,在整個前蘇聯,關於氫的報導相對普遍——因為蘇聯研究人員正在尋找它。他們堅持一個現在已經聲名狼藉的理論,該理論需要大量的天然氫才能從非生命過程而不是古代生命中生產石油。

對於多倫多大學地球化學家芭芭拉·舍伍德·洛拉 (Barbara Sherwood Lollar) 來說,氫的發現發生在 80 年代,當時她還是一名研究生。她在加拿大和芬蘭的礦井中收集數據,跟踪它們有時含有易燃氣體的證據。她測量了預期的碳氫化合物——一些甲烷,一些乙烷——但它們加起來不等於她樣品中的總質量。最後,她意識到有些含有高達 30% 的氫。「我們甚至沒有對其進行測量,因為沒有人預料到系統中會出現氫氣,」她說。

氫會溶解掉下方岩石中的礦物質,導致地表坍塌

現在全世界已經記錄了數百起氫氣滲漏事件。Zgonnik 開始相信氫可以解釋更常見的特徵:陸地上數十萬個淺圓形凹陷,直徑數十或數百米,被稱為仙女圈、女巫環或水盆。「它們分佈廣泛且非常神秘,」他說。Zgonnik 和他的同事在美國東海岸沿線調查了其中幾個被稱為卡羅萊納灣的地貌特徵,發現它們正在洩漏氫氣,並且其濃度隨著深度的增加而增加。Zgonnik 認為,氫會溶解掉下方岩石中的礦物質,導致地表坍塌。

波城大學和阿杜爾地區的地質學家伊莎貝爾·莫雷蒂 (Isabelle Moretti) 指出,仙女圈內的植被有時會受到抑制,她記錄了巴西、納米比亞和澳大利亞仙女圈中氫氣的滲漏。她推測這可能與消耗其他營養素的嗜氫微生物有關。「也許什麼都沒有了,」她說。

天然制氫的主要引擎是水與富含鐵的礦物

激光雷達圖像顯示北卡羅來納州的氫氣滲漏

氫滲漏可能解釋了通常被稱為仙女圈的神秘窪地。在這張北卡羅來納州沿海的激光雷達圖像中,有些寬度超過 1 公里。維亞切斯拉夫•茲貢尼克。大多數氫滲漏都太微弱,無法進行商業開發。但它們的存在本身就是有希望的,而且「真的是一個奇蹟,」高徹說。「土壤中有氧化劑,大氣中有氧氣,還有大量喜歡吃氫的微生物,」他說。「它存在,肯定還有更多。」

「一定有更深、更大的來源。」

現在,人們認為天然制氫的主要引擎是水與富含鐵的礦物(例如主宰地幔的橄欖石)之間的一系列高溫反應。一個常見的反應稱為蛇紋石化,因為它將橄欖石轉化為另一種稱為蛇紋石的礦物。在此過程中,鐵發生氧化,從水分子中奪取氧原子並釋放出氫。

潛水的科學家們在大西洋中脊的火山中近距離觀察了這一過程,那裡的構造板塊被拉開,地幔岩石上升形成新的洋殼板塊。在一個被稱為失落之城的地方(因為高聳的「白煙囪」煙囪噴出富含礦物質的熱水),研究人員測量了從海底噴出的大量氫氣。在橫跨大西洋中脊的冰島,Moretti 和她的同事在遍布該國的一些溫泉和地熱井中記錄了類似的氫氣流量。(3-2)

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