全国低碳日|地质氢:深藏于地下的绿色能源宝藏

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今天是全国低碳日。随着人类社会的快速发展,对能源的需求日益增加。然而,传统的化石能源如煤、石油、天然气等在燃烧过程中会产生大量的二氧化碳,加剧全球气候变暖。因此,寻找清洁、可再生、低碳的能源成为了全球关注的焦点。在这其中,地质氢作为一种新兴的清洁能源,逐渐走进了人们的视野。

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01 氢气的“彩虹家族”

氢是宇宙中最常见的元素之一,几乎无处不在。氢气无色、无味且极易燃烧,通常需要一定的能量从其他化合物如水(HO)、甲烷(CH₄)和氨(NH等分离出来。在工业上,氢气的制备方法有很多种,依据其生产方式的的不同,主要可分为灰氢、蓝氢和绿氢三种。

灰氢(Gray hydrogen)是通过化石燃料(石油、天然气、煤炭等)的燃烧或加工过程中产生的氢气。这种氢气的生产技术成熟,成本相对较低,目前在全球氢气产量中仍占据主导地位,不足之处就是在制备过程中会伴随着大量的二氧化碳等温室气体排放,因此并非清洁能源。

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正在燃烧的天然气(来源:Wikipedia)

蓝氢(Blue hydrogen)同样来源于化石燃料,但与灰氢不同的是,蓝氢在制备过程中会对释放的二氧化碳进行捕集和封存,以减少温室气体排放。因此,相对于灰氢而言,蓝氢显得更为环保,然而这种氢气只能算是一种过渡性的清洁能源解决方案,毕竟其生产仍然依赖于化石燃料。

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燃烧后的碳捕集技术(来源:Wikipedia common)

绿氢(Green hydrogen)则是通过太阳能、风能等可再生能源电解水产生的氢气,整个生产过程无任何温室气体排放,因此被认为是最环保、可持续再生的氢气类型。尽管目前的生产成本相对较高,但随着技术的不断进步,绿氢有望在未来能源体系中占据重要位置

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绿色氢气可再生能源生产管道-用于清洁电力太阳能和风力涡轮机设施的绿色氢气(图库版权图片,转载使用可能引发版权纠纷

除了上述三种类型之外,澳大利亚斯威本科技大学维多利亚氢中心甚至还进一步划分出了黄氢(Yellow hydrogen)、褐氢(Brown hydrogen)、青色氢(Turquoise hydrogen)、粉氢(Pink hydrogen)、白氢(White hydrogen),这八种不同来源的氢气分别用五彩斑斓的颜色命名,组成了奇妙的“彩虹家族”。

更让人感到惊奇的是,最近又出现了金氢(Gold hydrogen)、天然氢(Natural hydrogen)的说法,这又是哪种类型的氢气呢?

02 潜力无限的地质氢

其实,所谓的白氢、金氢、天然氢都是我们今日讨论的主角——地质氢,它是一种在自然界中天然生成的氢气资源。1987年,在西非内陆的马里共和国,一个油气田勘探公司在布拉凯布古村进行钻探时发生意外,钻孔因不断释放易燃气体而引发爆炸,事故发生后钻孔被封存。到了2012年,当工程师再次打开这眼钻孔时惊奇地发现,它还在继续冒出易燃气体,经检测发现其中的氢气含量高达98%。

随后,当地在这里安装了一台发电机,建立了一座简陋的氢气发电站。更令人感到惊讶的是,历经十多年排放,钻孔内气体压力未见减弱的迹象,这表明地下深处正在源源不断的产生和补充着氢气。地质学家认为,这一发现可能具有划时代的意义,不仅打破了“地球表面附近几乎不可能存在纯氢”的传统观念,更是将人们的视线引向了地质氢的开发领域。

地质氢究竟是如何产生的呢?地质学家经过研究认为,地质氢是地下水与地幔中富含铁的岩石相互作用的结果。当地下水在高温高压下遇到富含铁的岩石时,会发生化学反应,例如,水与橄榄石发生反应变成另外一种矿物蛇纹石同时释放氢气

橄榄石是一种镁铁硅酸盐矿物,通常为翠绿色橄榄绿色,有时也会呈现出淡黄色或灰绿色,因恰似橄榄果的颜色而得名。在地质学家看来,橄榄石并不稀有,它遍布地球,橄榄石及其变种占据了地球上地幔物质的50%以上,而且地球上的各种喷出岩中几乎都含有橄榄石。正是由于橄榄石在地下广泛分布,才给地质氢的形成创造了得天独厚的自然条件。

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从熔岩石中已经被侵蚀的橄榄石晶体(来源:Wikipedia

据媒体报道,法国科学家通过实验证实了地质氢的形成原理,并发现加入催化剂能显著加速氢气的产生。科学家们将水、橄榄石以及氧化铝(催化剂)置于一种被称为金刚石压腔的微小的高压锅里(内部微小的空间大约只有一个铅笔芯那么宽),在200300的高温和2000帕的高压下,经过24个小时的反应,成功获得了氢气。实验结果表明,催化剂氧化铝能使地质氢的自然形成过程加速7到50倍,这种大量快速生产氢气的新配方有望推动地质氢的开发和广泛应用。

03 地质氢“淘金热”

许多学者将“地质氢”视为一个非凡的机遇。原因在于,地质氢的生成过程对环境的影响微乎其微,开发过程不仅比蓝氢或绿氢更清洁、更便宜,而且储量巨大,预示着在未来的能源开发领域具有巨大的潜力和应用价值。

相关数据显示,当前全球每年氢能需求量约9400万吨,预计到2050年全球氢能需求将增至现在的10倍,而美国地质调查局一项研究结果表明,全球地下蕴藏着高达5万亿吨的氢资源,尽管其中的绝大部分以目前的技术还无法开采,但即便是获取其中的一小部分,也足够满足人类数个世纪的氢气需求。

学者们已经敏锐地察觉到了地质氢的发展前景,越来越多的能源公司也纷纷开始启动地质氢研究项目,掀起了一股“淘金热”。美国《科学》杂志更是将“发现地表以下的天然氢源”列为2023年度十大科学突破之一。

近年来,多个国家均报告了地质氢的发现案例,例如,2023年5月,法国洛林矿盆地发现了储量可达4600万吨的高浓度地质氢,这可能是迄今为止世界上最大的地质氢矿床;2023年10月,澳大利亚在南澳试钻了第一口地质氢井,在地下240米深处发现气体中含有高达73.3%的高浓度氢气,但作为地质氢气田的商业化可行性尚需进行进一步评估,预计2024年底可实现试用投产。

不过,勘探和开发地质氢目前仍面临多重挑战。首要任务是如何通过科学方法找到储量丰富的矿床;其次,需要探索有效方法(如注水、加热岩石等)来刺激地下岩层的产氢反应,提高氢气生产效率以满足商业开采的需求;第三,开发过程中还需考虑如何确保易燃易爆、体积庞大的氢气能够安全地从生产地运输至使用地,还需要解决气体压缩、化学合成以及管道建设等诸多问题。

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氢气的“彩虹家族”

(图片来源:https://www.swinburne.edu.au/news/2022/05/the-colours-of-hydrogen-explained/)

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橄榄石(摄影:马志飞)

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优质橄榄石也是一种美丽的宝石(摄影:马志飞)

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蛇纹石。橄榄石在一定的温度、压力条件下,经过水热作用,可以发生蚀变,转变为蛇纹石。(摄影:马志飞)

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蛇纹石(摄影:马志飞)

作者:马志飞,科普作家,北京科普作协会员,著有《石头记》《玻璃地球》等科普图书10余部,曾荣获自然资源部优秀科普图书奖、吴大猷科学普及著作奖佳作奖、中国自然资源作家协会“中华宝石文学奖”科普作品奖等。

审核:李瑞霞 国家地热中心中石化新星(北京)新能源研究院副院长、研究员

出品:科普中国

监制:中国科学技术出版社有限公司、中科数创(北京)数字传媒有限公司

内容资源由项目单位提供

评论
科普lyjzgf
进士级
随着全球对低碳能源需求的日益增长和相关技术的不断进步,地质氢有望成为未来能源结构中的重要组成部分。研究和开发地质氢资源,不仅可以为全球能源供应增添绿色选项,还有助于减少对化石燃料的依赖,对抗气候变化。国家低碳日强调的是行动与责任,探索和利用地质氢正是实现这一目标的重要途径之一。
2024-05-15
新风科普
庶吉士级
全国低碳日的宣传活动有助于提高公众对包括地质氢在内的绿色能源的认识,促进社会各界对低碳技术和产品的关注和使用,共同推动绿色低碳发展。
2024-05-15
追梦人C·hui
太师级
坚持绿色转型,节能攻坚不停步。让我们积极行动起来,践行绿色低碳生产生活方式,共建美丽的地球家园。
2024-05-15