地下还藏着多少氢气？地质氢能源的前景与挑战

上世纪90年代，芭芭拉·舍伍德·洛拉深入加拿大安大略省北部的基德克里克矿——这座矿井切入北美古老地壳根部超过三公里。在那里，她的地球化学团队发现了被封存在地下超过十亿年的水。这些古老的卤水竟然是活微生物的栖息地，它们以水和岩石反应产生的氢为食。 数十年后，多伦多大学地球化学家舍伍德·洛拉重新审视了团队的氢数据，想看看矿井中是否有足够的氢气使其成为有用的零碳燃料来源。"如果我们能发动一些聪明人来研究如何开发利用它，那对这个新兴经济来说就是一个胜利，"她说。 虽然氢燃料作为一种多用途能源确实前景广阔，但其生产过程通常会产生大量温室气体排放，且消耗的能量超过氢气本身所含能量。能够直接开采现成的地下储层——即所谓"地质氢"——将彻底改变这一等式。 一系列勘探行动已启动以寻找这种物质——它在地下由水分子与富铁岩石的化学反应产生，或者像基德克里克那样，由其他元素的放射性衰变产生。这场寻氢之旅已遍布全球，吸引了数十家初创公司参与，包括澳大利亚公司HyTerra和比尔·盖茨投资的Koloma公司，两家公司都在美国中西部探测与氢产生相关的古老海洋岩石。 美国地质调查局的研究人员估计，地壳内每年产生数万亿吨氢气；如果其中一小部分可以被开采，就能满足全球数百年的氢需求。但迄今为止的探索成果有限。尚未有人报告发现了商业可行的氢气储层，随着各公司争夺先机和吸引投资，已发现数据的公开信息仍然稀缺。 在基德克里克矿，舍伍德·洛拉和她的同事奥利弗·沃利用他们的长期氢记录获得了对潜力的新认识。通过仔细分析他们在十多年间从矿井35个钻孔收集的数据，他们发现每个钻孔平均每年稳定释放约8公斤氢气。将这一发现外推到基德克里克超过14,000个钻孔，意味着每年约有140吨氢气从矿井通风口白白流失。 这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究成果并非改变世界的数量，但舍伍德·洛拉表示，如果所有氢气都能被捕获，它至少能提供一个 modest 的能源来源——或许足以支撑矿井运营的很大一部分。她说，这将是一个有价值的本地示范，证明地质氢确实可以被利用。 基德克里克的结果"为自然氢产生和迁移是真实地质过程增添了越来越多的证据"，法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学地球化学家洛朗·特鲁什说。2024年，他的研究团队报告称，阿尔巴尼亚布尔吉萨铬矿每年至少有200吨氢气流出。"剩余的挑战不是证明天然氢存在，而是证明它能以商业规模经济可靠地生产，"特鲁什说。 然而，证明这一点并不一定需要找到富矿脉。研究人员和初创公司也在探索通过向能自然产生氢气的反应岩石注入水、热或催化剂来刺激氢气生产的可能性。ARPA-E已资助了十多个此类项目，其目标是将氢产生反应加速10,000倍——研究人员估计，在这个速率下，刺激氢生产将具有商业可行性。 今年早些时候，阿曼山区传来的一个信号表明这可能奏效：一个团队钻了一个一公里深的钻孔，向岩石中注入了50,000立方米的水。几个月后打开井口时，气体喷涌而出——其中90%是氢气。"它在冒气泡，"英国南安普顿大学地球科学家乔·香农在5月的欧洲地球科学联盟会议上告诉与会者。 虽然香农表示这是一个令人鼓舞的迹象，但她谨慎地补充说仍有大量未知数。最关键的问题是一个基本问题：从井中升上来的氢气是通过刺激产生的，还是一直就在那里？