氫是一種氣體，被認(rèn)為是最清潔的燃料，因?yàn)闅錃馊紵粫?huì)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(yù)計(jì)它將在未來(lái)的能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。它可能為減少長(zhǎng)途飛行和工業(yè)供暖等不易電氣化的過(guò)程的碳足跡提供解決方案。問(wèn)題是，絕大多數(shù)氫氣是通過(guò)消耗能源并向大氣中釋放大量二氧化碳的過(guò)程使用天然氣制造的。

　　科學(xué)家們知道氫是自然產(chǎn)生的，是通過(guò)地質(zhì)過(guò)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(wèn)題，因?yàn)樗粫?huì)向大氣中釋放大量的碳。只有一個(gè)問(wèn)題：關(guān)于有多少氫，或者在哪里可能發(fā)現(xiàn)氫，這幾乎沒(méi)有科學(xué)信息。

(氫燃料電池的工作原理圖，包括輸入和輸出。圖源：美國(guó)能源部能源信息管理局)

　　為了解地球可能儲(chǔ)存的氫氣數(shù)量，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的研究地質(zhì)學(xué)家杰弗里·埃利斯(Geoffrey Ellis)在他的能源資源項(xiàng)目同事莎拉·蓋爾曼(Sarah Gelman)的幫助下開發(fā)了一個(gè)全球資源模型。在他們能夠使用模型來(lái)估計(jì)可用的氫氣量之前，他們必須推進(jìn)對(duì)氫氣在地下行為的科學(xué)理解。兩人利用天然氣等類似物的現(xiàn)有知識(shí)填補(bǔ)了現(xiàn)有知識(shí)的空白，并開發(fā)了他們的氫模型。

　　埃利斯說(shuō)：“使用保守的輸入值范圍，該模型預(yù)測(cè)了可以供應(yīng)數(shù)千年預(yù)計(jì)全球氫氣需求的平均氫氣量。不過(guò)，我們?cè)诮忉屵@個(gè)數(shù)字時(shí)必須非常小心。根據(jù)我們對(duì)石油和其他氣體在地下分布的了解，大部分氫氣可能是無(wú)法獲得的。”換言之，氫氣供應(yīng)埋得太深，或離岸太遠(yuǎn)，或儲(chǔ)量太小，因此極不可能以經(jīng)濟(jì)的方式回收。

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

　　從石油和天然氣中吸取教訓(xùn)

　　為了開始了解氫積累的潛力，科學(xué)家們需要一個(gè)更好的地質(zhì)模型來(lái)了解氫是如何形成的，它來(lái)自巖層中的什么地方，以及它最終到達(dá)哪里。

　　憑借其石油地質(zhì)學(xué)背景，埃利斯正在努力創(chuàng)建一個(gè)使用石油系統(tǒng)方法的模型。該模型是一個(gè)概念模型，旨在了解地質(zhì)盆地內(nèi)石油的賦存情況。幾十年來(lái)，石油地質(zhì)學(xué)家一直使用它來(lái)有效地指導(dǎo)石油和天然氣勘探，并對(duì)未發(fā)現(xiàn)的石油資源進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。

　　該模型有助于地質(zhì)學(xué)家分析地質(zhì)因素，這些因素必須結(jié)合在一起才能有效地形成石油聚集。想象一下一位地質(zhì)學(xué)家正在遵循一系列線索來(lái)解決一個(gè)謎題。首先，烴源巖必須含有能夠產(chǎn)生石油的有機(jī)物質(zhì)。然后，地質(zhì)學(xué)家必須考慮石油在逃離源巖并通過(guò)其他巖層遷移時(shí)可能遵循的任何路徑。此外，地質(zhì)學(xué)家必須確定任何可能積聚石油的多孔儲(chǔ)層巖石。最后，地質(zhì)學(xué)家必須評(píng)估附近是否有巖石可以將流體密封在適當(dāng)?shù)奈恢?，通常長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)年。如果這些組件中的任何一個(gè)失效，那么地質(zhì)學(xué)家就可以推斷出不會(huì)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(huì)導(dǎo)致氫氣在周圍巖層中積聚。圖片來(lái)源：史密森尼國(guó)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(yīng)氫的積累，地質(zhì)學(xué)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(guò)程可能會(huì)影響氫，以及氫如何在到達(dá)地表的過(guò)程中被困在巖層中。

　　地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)知道有幾十種自然過(guò)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(jī)制能夠產(chǎn)生大量的氣體?？茖W(xué)家們普遍認(rèn)為，當(dāng)?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(shí)，就會(huì)發(fā)生這樣一個(gè)過(guò)程。這種相互作用會(huì)導(dǎo)致水被還原為氧氣和氫氣，氧氣與礦物中的鐵結(jié)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(guò)程都會(huì)消耗氫氣。特別是，許多微生物依靠氫氣生存，微生物學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)描述了一個(gè)由氫氣提供燃料的廣闊而深入的生物圈。此外，從富含有機(jī)物的巖石中形成石油的過(guò)程會(huì)消耗任何可用的氫氣。這就是為什么在甲烷或丙烷等碳?xì)浠衔餁怏w中很少發(fā)現(xiàn)氫氣的原因之一。

　　任何未被這些過(guò)程消耗的氫氣都可能到達(dá)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(gè)有效的密封巖來(lái)將氣體保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。幾十年?lái)，地球科學(xué)家一直認(rèn)為，密封巖石無(wú)法有效地容納氫的積累，因?yàn)闅涞捏w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(gè)由兩個(gè)氫原子組成的分子的直徑大約等于一個(gè)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(shè)氫可以被捕獲至類似的時(shí)間跨度。

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

　　繪制地圖

　　作為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局評(píng)估地質(zhì)氫資源潛力的主要科學(xué)家，埃利斯正在領(lǐng)導(dǎo)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局繪制美國(guó)本土最有可能含有地質(zhì)氫的區(qū)域地圖。他的團(tuán)隊(duì)正在使用氫系統(tǒng)模型作為這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)。通過(guò)繪制氫系統(tǒng)各組成部分的分布圖并評(píng)估它們的排列情況，可以初步估計(jì)全國(guó)地質(zhì)氫的潛力。

　　氫氣的探索與生產(chǎn)

　　地質(zhì)氫資源的勘探可能會(huì)采用許多與目前石油勘探相同的戰(zhàn)略和技術(shù)，并從礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源勘探中添加一些元素。由于氫氣有可能導(dǎo)致鋼變脆，因此儲(chǔ)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(shè)備。

　　然而，與天然氣田不同的是，考慮到通過(guò)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(chǔ)層、圈閉和密封層甚至可能不需要產(chǎn)生地質(zhì)氫。他們認(rèn)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(shí)產(chǎn)生氫氣。其他科學(xué)家更進(jìn)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(qiáng)地?zé)崮苌a(chǎn)。

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

　　來(lái)源：中國(guó)綠發(fā)會(huì)

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