摘要：Hydrogen 显示出作为低碳燃料的前景。目前的争论集中在 wHether Green Hydrogen 是通过电解分解水生产的，将与 Blue Hydrogen 竞争，后者是在天然气分解成氢气和 CO 时产生的2，碳被捕获和储存，或者从天然气中产生的灰色氢

Hydrogen 显示出作为低碳燃料的前景。目前的争论集中在 wHether Green Hydrogen 是通过电解分解水生产的，将与 Blue Hydrogen 竞争，后者是在天然气分解成氢气和 CO 时产生的2，碳被捕获和储存，或者从天然气中产生的灰色氢气，无需碳捕获。然而，一种有前途的来源——天然存在的或地质性的氢——在很大程度上被忽视了，因为它被认为稀有或太难提取。

第一届全球天然氢会议 H-NAT 2021 于 2021 年 6 月举行。这次虚拟活动吸引了 500 多名地球科学家、环保主义者和潜在投资者。在为期两天的时间里，演讲者详细阐述了氢的地质勘探、开发、生产（如纯化和分离）、储存、运输和利用氢的不同方面，以及与氢勘探和储存相关的法律“蓝天”要素。

如果可以经济地开采天然氢，它将消除对绿色氢电解过程中使用的清洁水的需求，并消除与蓝色氢相关的昂贵的碳捕获和储存 （CCS） 的需求。然而，关于天然氢还有很多未知数，这种潜在可再生资源的发现引发了几个问题，例如：是否有任何已知的商业积累？如何利用它？勘探氢能的法律影响是什么？生产成本是多少？它能否脱碳并与现有的（灰色和蓝色）氢原料甚至绿色氢竞争？氢气可以储存在地下吗？H-Nat 会议旨在回答其中一些问题。

几位演讲者表示，生产天然氢的成本很低，估计每公斤在1.0-0.5美元之间（Michael Levy，Aqius/Hynat，瑞士和Alain Prinzhofer，HYNAT）巴西;Viacheslav Zgonnik，Natural HydrogenEnergy LLC，美国）。作为比较，国际能源署 （IEA） 的 Paul Lucchese 介绍了 IEA 2019 年报告“氢的未来”中得出的成本，该报告表明灰氢的成本为每公斤 ~0.9-3.2 美元，蓝氢为每公斤 1.5-2.9 美元，绿色为每公斤 3.0-7.5 美元，表明天然氢可以竞争。鉴于 2021 年底天然气价格上涨，如果全球天然气价格居高不下，氢气成本可能会大幅波动。共识是，每公斤 ~1 美元的价格是许多天然氢生产商的关键目标。鉴于这些成本估计，我们可能正处于一场天然氢竞赛的开始，这可能会导致能源行业在提供低碳、具有成本效益的天然氢方面出现离散的转变。

2018 年按生产来源划分的氢气生产成本。图片：国际能源署，按生产来源划分的氢气生产成本，2018 年，国际能源署，iea.org/data-and-statistics/charts/hydrogen-production-costs-by-production-source-2018 年巴黎;国际能源署。版权所有

蓄势待
发 天然氢通常被称为天然氢、地质氢、白氢或金氢。这种颜色在营销人员眼中尚未确定，尽管会议期间的一项在线民意调查结果表明，与会者更喜欢“白氢”一词。

产生天然氢气的过程尚不完全清楚。它存在于广泛的地质环境中——海洋和大陆地壳、火山气体和热液系统（如法国 UPPA 的 Isabelle Moretti 的演讲中所讨论的那样;Kayad Moussa，ODDEG，吉布提;Eric Gaucher，瑞士伯尔尼大学;Eric Deville，IFP 学校，法国;阿兰·普林佐夫;Viacheslav Zgonnik）.目前已知的天然氢来源似乎是非生物的（即非生命的来源）。然而，讨论强调，天然氢可以被视为生物或非生物，因为来源解释可能是主观的，并且关于氢和微生物还有很多需要了解。

有记录表明，地热盐水中存在氢气

从历史上看，由于人们一直误解天然氢很少自然产生，因此人们一直忽视了天然氢——尽管自 20 世纪初以来，地球科学家已经记录了天然氢，无论是在沉积还是非沉积（火成岩）地质环境中，通常体积不可忽略。例如，一个多世纪前，恩斯特·厄德曼 （Ernst Erdman） 记录了德国斯特拉斯富特的利奥波德歇尔盐矿每天 128 立方英尺氢气的流动，持续了 4.5 年（Erdmann，1910 年）。然而，直到最近，天然氢才引起了探险家的兴趣。2012 年，当 Hydroma Inc.（一家加拿大公司，前身为 Petroma Inc.）在马里 Bourakébougou 重新发现一个富氢含水层，并设法将天然氢以商业数量流到地表时，情况发生了变化。然后很明显，我们不能再忽视天然氢。

此后，人们对天然氢的兴趣逐渐增强。正如 Viacheslav Zgonnik 所讨论的那样，美国第一口纯氢勘探井 Hoarty NE3 由美国内布拉斯加州的 Natural Hydrogen Energy LLC 钻探。于 2018 年 11 月启动并于 2019 年 3 月完成，公共领域的信息显示，据报道，该井目前已关闭（NOGCC，2022 年），而该公司正在完成该井的测试。

天然氢存在于一系列地质环境中——海洋和大陆地壳、火山气体和热液系统

马里几次会议演讲专门针对马里案例研究，其中天然氢于 1987 年在 Bourakébougo 村钻探 ~100 米深的水井时首次发现（Denis Briere，查普曼石油工程有限公司，加拿大）。然而，直到 2012 年，Hydroma Inc. 才开始在受控环境中钻探和测试氢气，并发现储层排放的气体中 98% 是氢气。在为期 10 天的生产测试中，储层压力基本保持不变，这意味着该水源是可再生的。储水库压力现在已经保持了 9 年，这种天然氢气的供应导致了该村的首次发电。

为了估算 Bourakébougou 的天然氢资源，我们钻了 24 口井。Hydroma Inc. 已在 780 公里的区域内确定了五个储层2，每个都与似乎形成密封的玄武岩基台相关联。绘制的储层深度从 30 – 135 m 到 1,125 – 1,500 m 不等，由具有碎屑层段的碳酸盐组成。Bourakébougou 氢气的确切来源，以及它是否正在积极渗出，从而在更长的时间尺度上得到补充，目前尚不清楚（Denis Briere;Prinzhofer et al.， 2018;Hydroma，2021 年）。

虽然 Hydroma Inc. 在 Bourakébougou 的发现是否可以在其他地方复制还有待观察，但马里案代表了天然氢业务的一个重要里程碑。

在巴西圣弗朗西斯科盆地，天然氢气的渗出量超过每天几百公斤

全球分布
许多会议报告详细介绍了澳大利亚天然氢的发现和勘探（以及相关的立法活动）（例如，澳大利亚 CSIRO 的 Emanuelle Frery 的演讲;澳大利亚地球科学部的 Chris Boreham;Sandra Menpes，SANTOS，澳大利亚）、巴西（例如 Maria Rosanne，ENGIE，法国）、欧洲（例如 Jon Gluyas，英国达勒姆大学;伊莎贝尔·莫雷蒂 & 卡亚德·穆萨;Eric Gaucher），马里，（Denis Briere），摩洛哥（例如瑞士HYNAT的Stephane Aver和摩洛哥能源、矿业和环境部的Mohammed Ghazali）和美国（例如Viacheslav Zgonnik）。这些演讲表明，在许多不同的地质环境中都可以观察到天然氢，包括裂谷、弧后盆地、克拉通盆地、克拉通地区（通常是前寒武纪时代）、带状铁层或矿化带和矿床、洋中脊和造山环境。

天然氢通常与盐水有关，盐水还含有氦、二氧化碳、氮气和甲烷。在安大略省、加拿大和南非的铜矿中，金矿、铂矿和铬铁矿（Eric Deville），以及冰岛的地热盐水中，都有充分记录的氢矿存在。其中一场演讲详细介绍了对巴西圣弗朗西斯科盆地的长期监测，该盆地的天然氢渗出量超过每天每公里几百公斤2（玛丽亚·罗珊）。

制氢的一些关键过程包括：（a） 与含铀、钍和钾矿物的放射性衰变相关的水的深度水化和辐射分解;（b） 亚铁氧化为铁和矿物水合，例如，在橄榄石（例如蛇绿石）的蛇纹石化过程中;（c） 变质区的分解;（d） 有机质成熟非常晚;（e） 源自地核和地幔的原始氢（如 Viacheslav Zgonnik 的演讲中所讨论的;克里斯·博勒姆;伊莎贝尔·莫雷蒂;埃里克·高歇尔;Alain Prinzhofer）。

天然氢显然比以前认为的更常见。鉴于世界各地有大量记录的天然氢矿床，从统计上讲，Bourakébougou 油田不太可能是同类油田中的一种。

天然氢有可能在未来几十年内对全球能源系统造成最大的破坏

新生的油田
天然氢开采的可能性很大，但前提是我们能够了解天然氢是如何产生的，它如何或是否被捕获，或者它如何渗入（例如，通过平流与扩散迁移）到地表。讨论中得出的关键点是，天然氢经常出现在石油和天然气行业尚未勘探的地区，并且支持其勘探的科学非常不成熟。

过去对天然氢的观测大多是偶然的，这是地热井、水井和油气井的副作用，这些井是在考虑其他目标的情况下钻探的。因此，这些井不太可能成为氢勘探和生产的最佳位置，因此仍然存在重大问题。

例如，氢群落是分裂的：一队将氢视为可以开采和生产的渗漏，另一支队伍将氢视为（可能）被困在地下，其方式类似于石油和天然气的积累方式。在地下捕集和储存氢气，至少是暂时的，是未来储氢业务的重要组成部分。

Denis Briere 引入了 Hydrogen System Logic 的概念（与传统的 Petroleum System Logic 方法相反）。根据他在马里 Bourakébougou 发现的研究成果，在 Hydrogen System Logic 模型中，氢储层不是被困在不透水页岩屏障下的加压停滞储层，而是在裂缝和基质中再生的缓慢流动的积累物。天然氢通过裂缝迁移，然后扩散到主岩中，定期补充。

虽然氢是否在地质时间尺度上储存尚无定论，但盐或岩盐被认为是可行的密封岩性，火成岩（如马里的闪长岩）也有可能用作密封。富含粘土的岩石也可能成为氢迁移的障碍。

对于新兴的氢能行业，需要进一步研究，以监测、测井甚至钻探氢气渗漏和潜在的储层。此外，为了实现氢气生产和安全的地质储存，还需要技术发展。

合法性
在全球舞台上，天然氢勘探者正在组织起来，并一直在世界各地申请勘探许可证。然而，虽然绿色氢勘探背后的公司可以依靠政府的支持和补贴来支持他们的项目，但天然氢勘探者并没有受到太多的喜爱。南澳大利亚州已经提供了一些立法支持，该州三分之一的土地已经被天然氢勘探许可证覆盖，但其他地方的法律框架不太明确，而且形势正在迅速发展。

Andrea Rigal-Casta（法国 Geo Avocats）和 Jeffrey Haworth（西澳大利亚政府）指出，目前没有明确考虑天然氢的勘探和生产。例如，在英国，氢气没有专门立法，而是根据 1986 年《天然气法》进行捕获，而在欧盟，氢气作为事后的想法，被纳入现有的采矿或天然气立法中。在欧盟，政治环境复杂，政治家或社区通常不积极看待钻探，而在其他地方，现有的碳氢化合物法律正在被废除，这些政策变化无意中影响了氢勘探。

目前对什么是天然氢缺乏了解是造成这种困惑的一个关键因素。Andrea Rigal-Casta 认为，天然氢是来自地质或自然（可再生）来源的能源，因此既不是矿物也不是碳氢化合物。虽然氢勘探与石油和天然气勘探有相似之处，但需要修改许多现有法规。

一般来说，与氢和其他可再生能源相关的立法需要一种新的方法。对现有勘探法的修改或新的勘探法的制定将决定天然氢储量的解锁和开发速度。

新领域
天然氢可能代表了能源转型的新前沿，但全球工程师和地球科学家必须首先努力了解这种具有潜在价值的气体的生产地点和方式，以及如何以廉价和安全的方式将其推向市场。天然氢资源的平均规模是多少？勘探和生产它的碳足迹是多少？天然氢供应能否使现有的灰色氢原料脱碳？勘探、开发和生产的成本是多少？通过回答这些问题，我们将更好地了解天然碳对我们的低碳未来的贡献。

从这次会议产生的能量和兴趣，以及天然氢公司和项目的持续出现来看，我们应该在未来几年内对这些问题有答案。正如主持人 Michael Webber（ENGIE，法国）所说，“天然氢有可能在未来几十年内对全球能源系统造成最大的破坏”。时间一定会证明一切！

来源：陈讲运清洁能源