洞见|天然地质氢的潜力有多大？
文摘
科学
2024-05-30 13:51
北京
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天然氢是大自然中天然生成的氢气资源，有着可再生、资源相对丰富等特点。截至2020年，全球浓度超过10%的天然氢发现案例已超过300例，估算地面逸出量达到2千万吨/年以上。最近，海外各国在天然氢方面的研究与勘探动作频繁，更多新天然氢矿藏不断被发现，比如2023年7月份在法国发现了储量约4600万吨的天然氢，紧接着10月份澳大利亚进行首次试钻得到了浓度73%的天然氢。在天然氢的商业利用方面，目前仍处于探索阶段。美、澳、西班牙等国已有多家企业开始布局探索天然氢的商业开采，其中高浓度天然氢矿藏的寻找、各国管理法规配套、开采技术及开采成本等是这些开采计划的主要关注焦点。能景研究根据相关文献资料，总结归纳天然氢的相关基本信息以及现有开发利用现状，以供行业参考。自上世纪初以来，进行石油矿物开采时常发现有天然生成的氢气逸出，地质勘探界称之为“天然氢”( Natural hydrogen)。经过国内外研究发现，天然氢广泛分布于在自然界大气圈、地壳、地幔、地下水等系统中。其中，分布在大陆壳、洋壳和火山热液等地质环境中、且可在地表检测到较高浓度的氢源，也称之为“地质氢”，即地质成因的氢。另外为与氢能中的“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”区分开，也有报告及论文中使用“金氢”或“白氢”来描述天然氢。相对电解制氢，天然氢开采拥有较低的成本下限。尤其对高浓度天然氢矿藏，其开采成本可远低于其他制氢途径。海外可再生能源制氢的成本约为20-35元/kg，天然气制氢成本也在10元/kg以上，而高浓度天然氢的开采成本可低至天然气制氢的十分之一以下。如截至目前已经运营了5年多的北非马里Bourakebougou氢井，氢气天然浓度约98%，开采成本仅约3.5元/kg。另据西班牙天然氢开采企业Helios Aragon披露，天然氢开采的盈亏平衡成本可能在3.5-5元/kg之间。天然氢的存在形式相对多样，气液固皆存。现有相关文献中，根据天然氢在地球内部的赋存状态初步将之分为游离态、包裹体、溶解氢三大类。游离态一般指气态，是目前国内外勘探到的主要天然氢来源，一般分布在浅层地表中，可以在地下岩石或地层孔隙裂隙中自由扩散运移，有时会逸出地面。包裹体指包裹或吸附在岩石内的氢，一般分布在压力较高的深层地质中，随着地质变动、矿物开采等而被发掘出来，如煤盆地、沉积岩或变质岩、岩盐矿床等。溶解氢，即溶解在水中的氢气，一般在氢矿藏周围的地下水中有较多存在。关于天然氢地下形成机理目前有多种解释，其中大多符合可持续、可再生的特点。目前国内外对地质氢的系统研究尚处于起步阶段，现有研究观测到的天然氢形成和发现的地质环境多样，因此天然氢可能是多种成因机制下的产物。其中，大致可分为“深层释放”、地质化学生成、生物生成三大类成因解释。“深层释放”类理论认为地球的地核、地幔中存在极为丰富的氢，随着地质运动会逐渐释放到地表，即因为资源近似无限而近似可再生。地质化学生成、生物生成类理论认为岩石破裂产气、岩石与流体的氧化作用、水的裂解、有机生物与非生物分解等地下化学反应有可能产生氢气，也可以归进可再生一类。02 天然氢储量可观，勘探定位可根据已有地质资料进行从近年来的勘探结果来看，天然氢具有较大的资源总储量及可开采利用潜力。目前，国内外对天然氢的勘探调查尚处于起步阶段，世界上已有30多个国家陆续发现了富含天然氢的地方。在马里、阿曼、美国等国，都有从地下泄漏的气体中都检测到90% 以上氢气的案例，可利用价值较高。天然氢储量规模方面，根据2020年的一篇综述文献统计，截至2020年全球已发现的天然氢地面逸出量估算值为1.5-3.1千万吨/年，相当于200-400 GW电解槽制氢规模。而且由于目前地质深层氢气量无法估算，以及中国等国家和地区尚未展开天然氢的系统检测和资源量计算，因此实际天然氢资源储量应该更为可观。天然氢多分布于煤层、矿石资源周围，可依据历史勘探开采资料定位。相关研究者在间歇泉、温泉、煤井、油气井等中都发现过富氢气体，其含量在不同地质环境中在1%-100%之间变化，其中，煤层、盐岩等具有较好储氢能力的地层中有多项天然氢发现案例。同时，油气、矿产公司手中有较多的地质勘探数据，其中包含了较多的氢气矿藏线索。如2023年10月澳大利亚Gold Hydrogen公司首次进行天然氢开采试钻的地点选择，便是根据上世纪初的油气勘探数据决定的，最终首次试钻氢气浓度高达73%。03 天然氢的商业化开采，还需在成本、法规、市场等多方面进一步突破尽管国际上已有较多天然氢发现案例，油气矿产开发企业也掌握有着较多天然氢分布相关的资料，但目前仍未有真正商业化的天然氢开采项目落地。能景研究认为，高浓度天然氢矿藏的勘探定位、法规配套、市场消纳寻找是项目落地慢的三大要素。高浓度天然氢矿藏是项目降低开采难度、降低开采成本的关键。天然氢中往往伴有二氧化碳、甲烷、氮气等多种杂质，且不同产地的成分相差较大，某些矿藏中还含有高浓度硫化物等对氢燃料电池有害的物质，提高了提纯技术的要求，也提高了开采成本。现阶段，天然氢开采探索尚未完全起步，技术尚未完全成熟，因此相关开发商仍在以勘探高浓度气源为重心。配套法规完善是项目落地、正常运营的前提。天然氢与石油、天然气类似，理论上属于矿产资源，开采、出售等均需受到相关部门把控。但与石油、天然气已具有相对完善的项目登记、管理体系不同，天然氢的资源类型定位、管理方法、管理部门等均未明确。因此，现阶段天然氢项目面临落地审批无法可依、即使落地后也存在因政策变动而终止运营的风险。典型如西班牙2021通过的气候变化和能源转型法案禁止新建碳氢化合物开采项目，而导致其国内天然氢项目因天然氢分类不明而难以推进。氢能市场规模尚未完全展开也是天然氢项目保持观望的一大原因。油气井开发属于高成本投入项目，项目建设前需充分考量消纳市场。以天然气气田为例，根据中石油某气田数据，单气井建设成本在5000万元以上，单井采气量50万方/天以上。若天然氢单井采气量也为50万方/天，则单井采气规模约相当于一项250 MW的电解制氢项目，一座4井的气田采气规模则相当于GW级电解制氢项目，仅在气田周围存在大型醇、氨等化工厂时，或燃料电池汽车市场充分起量后才可实现有效消纳。04 国外天然氢利用已到试采阶段，国内尚待进一步重视近年来，海外在天然氢领域涌现了一批新兴企业，资源勘探正在加快。这些企业最早勘探布局已有5年以上，定位到多个有开采价值的天然氢矿藏地点，并从2023年开始逐渐展开商业化开采布局。除澳大利亚Gold hydrogen在2023年11月于南澳试钻成功外，在美国，NH2E、HyTerra两家天然氢企业已确定北美中部裂谷系为天然氢富含地，开始布局国际上第一口商业化天然氢矿井开发建设；在欧洲，西班牙、法国均有天然氢开采规划；在韩国，韩国国家石油公司也宣布发现了5处潜在天然氢源。国内现阶段尚无天然氢的勘探及开采项目披露，但在天然氢的资源分布数据及研究也已有一定的积累。依托于已覆盖国内大部分地区的油气和矿产资源勘探开发活动，国内已有较多的天然氢发现案例。如在在松辽盆地的个别钻井中发现氢气含量高达85. 54%，在柴达木盆地三湖地区2号井的岩屑罐顶气中,检测到了含量最高可达99% 的氢气。此外，在云南腾冲部分热泉、山西沁水煤矿和煤井、渤海湾盆地、松辽盆地等多地我国均有低浓度天然氢发现案例。在这些地区，中石化、中煤，以及地质勘探机构等油气、矿产企业机构或已掌握了较为可观的天然氢分布资料。天然氢资源丰富、开采可行性较高。目前海外已涌现了一批天然氢开发企业，部分传统油气企业也在利用自身油气勘探积累优势探索天然氢方面的开发。同时，海外各国政府也在立项、资金、法规等方面给予了较多支持。相较国外，国内天然氢方面的探索主要集中于科学研究阶段，基于能源领域勘探数据及技术积累，也已发现了多天然氢资源地。现在微信公众号打乱了时间线，如果你不特地点进来，很可能看不到本号了。希望喜欢【能景氢研】的读者朋友们将本号【设为星标★】，方便找到我们
