《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
西非克拉通深處的綠岩帶正在推動那裡的氫氣生產
但商業天然氫的希望更接近各大洲的潛在客戶。英國氫能公司 H2Au 的勘探總監 Owain Jackson 說,勘探者正在尋找大陸古老的核心克拉通。被困在其中的是富含鐵的岩石帶,稱為綠岩帶,它們是古代大陸碰撞中被擠壓在克拉通之間的海洋地殼的殘餘物。在橄欖石和其他礦物埋藏得足夠深,溫度超過 200°C,但仍暴露於從地表滲出的水的地方,它們可以產生氫氣。傑克遜曾幫助評估距離 Bourakébougou 數百公里的馬里地區的租賃區塊,他認為西非克拉通深處的綠岩帶正在推動那裡的氫氣生產。
Prinzhofer 說,克拉通擁有第二個具有產氫潛力的主要鐵源——一個可以追溯到大約 24 億年前的演化轉折點。當時,海洋缺氧且溶解鐵飽和。但是隨後,在一場被稱為「大氧化事件」的革命中,海洋微生物進化出了光合作用的能力。它們釋放出的氧氣導致鐵以鐵鏽的形式掉落到海底,最終變成石頭。像綠岩帶一樣,這些礦床中的一些最終在克拉通中倖存下來,今天被稱為帶狀鐵礦層。他們被認為擁有世界上大約 60% 的鐵儲量。
蛇紋石化作用應產生地球上多達 80%的氫
在 2014 年的一篇論文中,Sherwood Lollar 及其同事研究了地球克拉通的構成,發現蛇紋石化作用應產生地球上多達 80%的氫。第二種機制,輻射分解,可能會產生其餘部分。當地殼中的放射性元素(如鈾和釷)發生衰變時,它們會釋放出 α 粒子,即氦核,以及其他可以分裂地下水分子並產生額外的氫氣的輻射。Zgonnik 支持第三種更深層次的來源:他認為原始氫在行星誕生後不久就被困在其鐵芯中,正在通過數千公里的岩石滲出到地表。證據參差不齊,Zgonnik 承認該理論存在爭議。「這與許多範式背道而馳,」他說。
對於 Prinzhofer 來說,天然氫從何而來的問題是學術性的。「也許我們都完全錯了,」他說。「這對行業來說並不重要。」 他說,石油工業在人們了解石油的起源之前就興起了。同樣,對於天然氫產業來說,重要的只是是否有足夠的東西可以追求。在 USGS,Ellis 正在努力回答這個問題。他認為地球每年生產的氫氣比人類製造的 9000 萬噸要多幾個數量級。但重要的不僅是流量——地下存量的規模也很重要。「我們實際可以追踪的地下有多少被困?」 埃利斯問道。「這是一個更難回答的問題。」
綠色能源能滿足世界數千年的需求
他和他的 USGS 同事 Sarah Gelman 嘗試使用從石油行業借來的簡單「盒子」模型。該模型考慮了不同種類的不透水岩石圈閉、微生物的破壞性影響,以及基於石油行業經驗的假設,即只有 10% 的氫氣儲藏可能被經濟地開採。埃利斯說,該模型得出了一系列以一萬億噸氫為中心的數字。即使綠色能源轉型引發氫氣使用激增,這也能滿足世界數千年的需求。
埃利斯承認,這種全球資源中的大部分最終可能會過於分散而無法經濟地捕獲,例如以萬億分之一的水平溶解在海洋中的數百萬噸黃金。但這種擔憂並沒有阻止氫獵人的腳步。
2020 年 11 月,盧克·提圖斯 (Luke Titus) 受到澳大利亞 COVID-19 封鎖措施的限制,但他發現自己正在閱讀 1944 年的一份晦澀難懂的報告:南澳大利亞地質調查局礦業部第 22 號公告。它包含對來自農民的數據的分析,這些農民聯合起來尋找石油,使用占卜棒和其他有問題的技術。「甚至有報導稱他們將手浸入煤油中,」Titus 說。「這一切都很有趣。」 但泰特斯是一家名為 Gold Hydrogen 的公司的聯合創始人,當他看到 1921 年在袋鼠島鑽探的一個鑽孔的數據時,他並沒有笑。它產生了多達 80% 的氫氣。附近約克半島上的另一口井的利用率接近 70%。
南澳大利亞正處於氫氣熱潮之中
埃里克漢德說。奇怪的是,巴西一個洩漏氫氣的大仙女圈沒有植被。2021 年 2 月,當南澳大利亞擴大其石油法規以允許鑽探氫氣時,Titus 出手了。同月,他提交了探索約克半島和袋鼠島近 8000 平方公里的申請。他創建了另外兩家造紙公司,在數千平方公里的土地上提出申請。幾週之內,他就有了競爭對手。「很多其他企業都聽說了,」他說。
現在,南澳大利亞正處於氫氣熱潮之中,至少在紙面上是這樣。該州擁有得天獨厚的地質條件。它被古老的高勒克拉通覆蓋,其鐵礦和鈾礦指向蛇紋石化和輻射分解所需的源岩。Titus 說,由於離海洋如此之近,岩石肯定會被水飽和。今年,他計劃進行一次航空地球物理勘測,以描繪出他認為是約克半島 (Yorke Peninsula) 僅 1.8 公里下方的烴源岩。1 月,在澳大利亞證券交易所的首次公開募股中,該公司籌集了 2000 萬美元,足以鑽探一口探井。「我們正在最前沿工作,」他說。
在西班牙,芒羅正在等待法規跟上。與 Gold Hydrogen 一樣,他的公司 Helios Aragon 也是建立在古老但有前途的數據基礎上的:1963 年阿拉貢國家石油公司在 Monzon-1 井中「展示」了 25% 的氫氣,鑽探深度為 3.7 公里。和 Titus 一樣,Munro 相信他找到了一個理想的氫氣產地。比利牛斯山脈的核心是富含鐵的海洋岩石,大約 6500 萬年前,當伊比利亞板塊關閉海洋並衝入法國時,這些岩石被擠壓和抬升。Munro 說,深斷層將這些岩石中產生的氫氣向上輸送到多孔砂岩層中,該砂岩層被緻密的頁岩覆蓋。
我們將成為歐洲第一口天然氫氣井
Munro 計劃在 2024 年底鑽一口探井。「我們相信我們將成為歐洲第一口天然氫氣井,」他說。但由於他的租約是根據西班牙的石油法授予的,而且 2021 年的氣候法已暫停新業務,因此在西班牙開闢氫氣豁免之前,他將無法進行商業生產。
在水力壓裂和頁岩氣繁榮的發源地美國,監管環境較為寬鬆。然而,Ellis 說,「對於我來說真的不知道什麼原因,它還沒有在北美流行起來。」 在 USGS,他和其他幾名員工是唯一專注於天然氫的員工。在 ARPA-E,只有 Yedinak 和另外一個人——直到她幾個月前離開該機構加入一家清潔能源初創公司。
埃利斯現在正在使用地球物理數據來評估美國有前途的製氫地形。他說美國可能坐擁兩條富饒的礦脈。一處距離東海岸約 10 至 20 公里,富含鐵的地幔岩石位於海床下方約 10 公里處。他認為,這些岩石中產生的氫氣可能會通過多孔沉積物向上遷移並向海岸移動——這或許可以解釋為什麼卡羅萊納海灣遍布東海岸。另一個潛在的熱點位於中西部,那裡的火山裂谷在 10 億年前未能分裂北美。它把富含鐵的地幔岩石帶到了從明尼蘇達州到堪薩斯州的帶狀地帶,靠近地表。
這就是 Zgonnik 的目標。2019 年,Natural Hydrogen Energy 在「水盆」(當地對仙女圈的稱呼)中間完成了 3.4 公里深的井,周圍環繞著玉米和大豆田。這口井位於內布拉斯加州日內瓦附近,靠近深斷層,這些斷層可能將其與破裂的裂谷區的岩石相連。Zgonnik 拒絕透露該井生產了多少氫氣,但在 2022 年 4 月,HyTerra 公司購買了該業務的股份。HyTerra 的一份演示文稿稱,來自該井的氣體「燃燒時發出明顯的火焰」——這表明氫氣占主導地位。
世界上任何地方都不會很快商業化生產氫
Gaucher 認為,天然氫勘探者的首要目標應該是位於地表一兩公里以內的不透水蓋下的淺層儲藏。但如果源岩本身觸手可及,他說,就可以直接從中收集氫氣,就像從頁岩中提取石油一樣;甚至可以將水注入富含鐵的岩石中以刺激生產。在收集氫氣的同時,這口井還可以利用返回地表的熱水中的地熱能。最重要的是,如果二氧化碳溶解在註入的水中,它可以與含鐵岩石中的鎂和鈣發生反應,並以石灰石的形式永久鎖定。「你會同時隔離二氧化碳和生產氫氣,」Yedinak 說。前景令人興奮。但目前的熱情都是假設的。世界上任何地方都不會很快商業化生產氫——也許馬里除外。
內布拉斯加州 Natural Hydrogen Energy 的鑽機
2019 年,初創公司 Natural Hydrogen Energy 在內布拉斯加州的玉米和大豆田中鑽探了美國第一口氫氣井。維亞切斯拉夫•茲貢尼克
11 月的一個晚上,迪亞洛乘坐晚點航班抵達塞內加爾達喀爾,他在那裡有一個家。他穿著白色束腰外衣,躺在斯巴達風格的房間裡,邊喝著水瓶邊在視頻通話中講述自己的故事。他是馬里最富有的公民之一,從金礦和交易高風險的非洲政府債務中積累了財富。他也是一個現在由軍政府統治並因多年與伊斯蘭恐怖分子的鬥爭而動盪不安的國家的前總統候選人,也許是未來的總統候選人。
但他想談的是氫。自 15 多年前他獲得 Bourakébougou 油田的使用權以來,這一直是一個充滿激情的項目。「他是個賭徒,」Prinzhofer 說。「他總是告訴我,‘我喜歡下不可思議的賭注,這太令人興奮了。’」
大流行病和軍事政變減緩了商業化的道路
其間的幾年一直很艱難,大流行病和軍事政變減緩了商業化的道路。旨在向軍政府施加壓力的國際制裁使 Hydroma 難以進口設備。鑑於持續存在的安全問題,很少有西方鑽探公司願意在馬里開展工作。
儘管如此,Diallo 聲稱,Hydroma 已經接近於生產商用氫氣,但他沒有透露有多接近。「就在我們說話的時候,設備正在組裝中,」Brière 說。迪亞洛說,當務之急是將 Bourakébougou 用作燃料電池的加油站,這可以幫助馬里實現電氣化,這個國家有一半的人口仍然無法獲得電力。
但為什麼要停在那裡呢?Diallo 希望擴展到氫燃料巴士、卡車,甚至火車。在那之後可能會有一家化肥廠。Hydroma 在塞內加爾、毛里塔尼亞、尼日爾和幾內亞比紹設立了子公司,Diallo 認為氫能推動了這個擁有 4 億人口的地區的繁榮。他稱之為西非綠色大交易。「我們已經證明,除了地質好奇之外,[氫]是一種真正的自然資源,未來必須依賴,」他說。
等待氫的未來到來
在 Bourakébougou 油田鑽了 30 口井後,Brière 說他現在可以正式評估「獎品」——石油行業術語,指的是油藏中的可採量。他說,這個領域很大:它包含大約 600 億立方米的氫氣,或約 500 萬噸,被困在古老火山岩的膨脹水平岩床下。
但獎金的數額可能低估了承諾。Brière 說,因為地球製造氫氣的速度比石油快得多,所以儲層的體積意義不大。「我們看不到它是一個受限的體積,我們看到它總是充滿、流動和連續的。」 開發 Bourakébougou 油田和其他類似油田可能數十年而不會耗盡它們。「我們將照顧我們這一代人和我們子孫後代,」Brière 說。
Bourakébougou 的人民當然希望如此。幾年前,福特發動機一直運轉到火花塞壞掉,而新安裝的燃料電池——更安靜、更高效——還沒有連接到村里的電網。Bourakébougou 是黑暗的,等待氫的未來到來。(全文完)
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