地質氫在未來能源中的潛力

　　氫是一種氣體，被認為是最清潔的燃料，因為氫氣燃燒只會產(chǎn)生熱量和純水。氫目前作為能源的主要用途是火箭燃料，工程師甚至利用它在氫燃料電池中發(fā)電，預計它將在未來的能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。它可能為減少長途飛行和工業(yè)供暖等不易電氣化的過程的碳足跡提供解決方案。問題是，絕大多數(shù)氫氣是通過消耗能源并向大氣中釋放大量二氧化碳的過程使用天然氣制造的。

　　科學家們知道氫是自然產(chǎn)生的，是通過地質過程產(chǎn)生的。利用天然氫資源將消除制造氫氣造成的排放問題，因為它不會向大氣中釋放大量的碳。只有一個問題：關于有多少氫，或者在哪里可能發(fā)現(xiàn)氫，這幾乎沒有科學信息。

(氫燃料電池的工作原理圖，包括輸入和輸出。圖源：美國能源部能源信息管理局)

　　為了解地球可能儲存的氫氣數(shù)量，美國地質調(diào)查局的研究地質學家杰弗里·埃利斯(Geoffrey Ellis)在他的能源資源項目同事莎拉·蓋爾曼(Sarah Gelman)的幫助下開發(fā)了一個全球資源模型。在他們能夠使用模型來估計可用的氫氣量之前，他們必須推進對氫氣在地下行為的科學理解。兩人利用天然氣等類似物的現(xiàn)有知識填補了現(xiàn)有知識的空白，并開發(fā)了他們的氫模型。

　　埃利斯說：“使用保守的輸入值范圍，該模型預測了可以供應數(shù)千年預計全球氫氣需求的平均氫氣量。不過，我們在解釋這個數(shù)字時必須非常小心。根據(jù)我們對石油和其他氣體在地下分布的了解，大部分氫氣可能是無法獲得的。”換言之，氫氣供應埋得太深，或離岸太遠，或儲量太小，因此極不可能以經(jīng)濟的方式回收。

　(圖片描述：氫是如何在地下形成的。來源：《科學》期刊的“隱藏的氫氣：地球上有大量可再生無碳燃料嗎?”)

　　從石油和天然氣中吸取教訓

　　為了開始了解氫積累的潛力，科學家們需要一個更好的地質模型來了解氫是如何形成的，它來自巖層中的什么地方，以及它最終到達哪里。

　　憑借其石油地質學背景，埃利斯正在努力創(chuàng)建一個使用石油系統(tǒng)方法的模型。該模型是一個概念模型，旨在了解地質盆地內(nèi)石油的賦存情況。幾十年來，石油地質學家一直使用它來有效地指導石油和天然氣勘探，并對未發(fā)現(xiàn)的石油資源進行準確評估。

　　該模型有助于地質學家分析地質因素，這些因素必須結合在一起才能有效地形成石油聚集。想象一下一位地質學家正在遵循一系列線索來解決一個謎題。首先，烴源巖必須含有能夠產(chǎn)生石油的有機物質。然后，地質學家必須考慮石油在逃離源巖并通過其他巖層遷移時可能遵循的任何路徑。此外，地質學家必須確定任何可能積聚石油的多孔儲層巖石。最后，地質學家必須評估附近是否有巖石可以將流體密封在適當?shù)奈恢?，通常長達數(shù)百萬年。如果這些組件中的任何一個失效，那么地質學家就可以推斷出不會形成石油聚集。

(鎂橄欖石，一種橄欖石礦物。地下水與橄欖石相互作用會導致氫氣在周圍巖層中積聚。圖片來源：史密森尼國家自然歷史博物館。)

　　氫氣系統(tǒng)

　　為了使石油系統(tǒng)模型適應氫的積累，地質學家必須確定天然氫是如何在巖層中形成的，一旦形成，什么類型的自然過程可能會影響氫，以及氫如何在到達地表的過程中被困在巖層中。

　　地質學家已經(jīng)知道有幾十種自然過程可以產(chǎn)生氫氣，但要了解氫氣資源的潛力，就需要確定其中哪些機制能夠產(chǎn)生大量的氣體?？茖W家們普遍認為，當?shù)叵滤c橄欖石(橄欖石是一種鎂鐵硅酸鹽，呈綠色)等富含鐵的礦物相互作用時，就會發(fā)生這樣一個過程。這種相互作用會導致水被還原為氧氣和氫氣，氧氣與礦物中的鐵結合，氫氣隨后逃逸到周圍的巖石中。

　　一旦氫氣形成，各種自然過程都會消耗氫氣。特別是，許多微生物依靠氫氣生存，微生物學家現(xiàn)在已經(jīng)描述了一個由氫氣提供燃料的廣闊而深入的生物圈。此外，從富含有機物的巖石中形成石油的過程會消耗任何可用的氫氣。這就是為什么在甲烷或丙烷等碳氫化合物氣體中很少發(fā)現(xiàn)氫氣的原因之一。

　　任何未被這些過程消耗的氫氣都可能到達多孔巖石，在那里形成氣體積聚。但為了使積聚持續(xù)下去，必須有一個有效的密封巖來將氣體保持在適當?shù)奈恢?。幾十年來，地球科學家一直認為，密封巖石無法有效地容納氫的積累，因為氫的體積很小，即使是最致密的巖石也能容其逃逸。然而，研究表明，一個由兩個氫原子組成的分子的直徑大約等于一個氦原子的直徑，這兩種氣體很可能被類似的巖層捕獲。已知的氦積累已經(jīng)保存了1億年之久，因此可以合理地假設氫可以被捕獲至類似的時間跨度。

　　美國地質勘探局的科學家正在將所有這些因素納入他們的模型，這將提高對地球上天然氫資源潛力的理解。

　　繪制地圖

　　作為美國地質調(diào)查局評估地質氫資源潛力的主要科學家，埃利斯正在領導美國地質調(diào)查局繪制美國本土最有可能含有地質氫的區(qū)域地圖。他的團隊正在使用氫系統(tǒng)模型作為這項工作的基礎。通過繪制氫系統(tǒng)各組成部分的分布圖并評估它們的排列情況，可以初步估計全國地質氫的潛力。

　　氫氣的探索與生產(chǎn)

　　地質氫資源的勘探可能會采用許多與目前石油勘探相同的戰(zhàn)略和技術，并從礦產(chǎn)和地熱資源勘探中添加一些元素。由于氫氣有可能導致鋼變脆，因此儲層中捕獲的氫氣的生產(chǎn)需要稍微不同的材料。否則，可以使用目前用于天然氣開發(fā)的相同鉆井和完井設備。

　　然而，與天然氣田不同的是，考慮到通過水還原產(chǎn)生氫氣的速度很快，天然氣田中的一些氣體可能是可再生的。此外，一些研究人員提出，儲層、圈閉和密封層甚至可能不需要產(chǎn)生地質氫。他們認為，我們可能能夠利用正在產(chǎn)生氫氣的巖石，或者讓氫氣在巖石中遷移，并在產(chǎn)生氫氣時產(chǎn)生氫氣。其他科學家更進一步，提出可以將熱水注入目前不產(chǎn)生氫氣的富鐵巖石中，以刺激氫氣產(chǎn)生，這在某種程度上類似于增強地熱能生產(chǎn)。

　　埃利斯說：“如果你把我們認為可能被困在儲層中的氫的數(shù)量加起來，再加上它產(chǎn)生時可能直接產(chǎn)生的數(shù)量，以及通過刺激可以產(chǎn)生的數(shù)量相加，你就會得到一個非常大的潛在資源。”

　　來源：中國綠發(fā)會

　　原文鏈接：https://www.usgs.gov/news/featured-story/potential-geologic-hydrogen-next-generation-energy